鹵化物鈣鈦礦單晶晶片的可控生長及光電性能研究一、引言金屬鹵化物鈣鈦礦作為一類新興的半導體材料，憑借其卓越的光電特性與溶液可制備性，在眾多光電子領域展現出巨大的應用潛力。從太陽能電池的高效能量轉換，到發光二極管的明亮發光，再到輻射探測領域的精準探測，鹵化物鈣鈦礦材料都備受關注，被視為新能源與環境等領域的新質生產力。在材料結構的分類中，單晶、多晶與非晶各具特點。傳統半導體材料多為單晶結構，而鈣鈦礦目前主要以多晶形式存在。多晶薄膜雖有一定應用，但存在諸多缺陷，如顯著影響器件性能與使用壽命的表界面懸掛鍵、不飽和鍵等缺陷。與之相比，鈣鈦礦單晶晶片猶如璀璨的“非洲之星”，其缺陷密度極低，僅約為多晶薄膜的十萬分之一，同時在光吸收、輸運能力以及穩定性方面表現出色，是制造高性能光電子器件的理想選擇。然而，長期以來，鹵化物鈣鈦礦單晶晶片的制備面臨諸多挑戰，限制了其大規模應用與進一步發展。二、鹵化物鈣鈦礦單晶晶片生長的挑戰（一）現有制備方法的局限國際上，此前一直缺乏鈣鈦礦單晶晶片的通用制備方法。傳統的空間限域方法在實際應用中存在嚴重不足，其需要高溫環境，不僅能耗高，還容易引入雜質，并且生長速率極為緩慢，只能制備出毫米級的單晶。這種小尺寸的單晶難以滿足實際光電子器件對大面積、高質量材料的需求，極大地限制了單晶晶片在高性能光電子器件中的應用。（二）生長過程控制的復雜性鈣鈦礦單晶薄膜材料的生長是一個極為復雜的過程，涉及成核、溶解、傳質、反應等多個關鍵步驟。然而，長期以來，這些過程中的控制步驟并不明確，導致研究人員難以有針對性地優化生長條件，實現高效、可控的生長。例如，成核過程中晶核的形成速率與數量難以精確調控，這直接影響后續晶體生長的質量與尺寸；溶解過程中溶質的溶解平衡復雜，容易受到溫度、溶液濃度等多種因素影響；而傳質過程中溶質的擴散速率更是制約晶體生長速率的關鍵因素，其機制卻一直未被清晰揭示。三、可控生長技術的突破（一）關鍵因素的揭示華東理工大學的清潔能源材料與器件團隊在鹵化物鈣鈦礦單晶晶片生長研究方面取得了重要突破。通過結合多重實驗論證與理論模擬，該團隊成功揭示了傳質過程是決定晶體生長速率的關鍵因素。這一發現為后續研發新型生長技術奠定了堅實的理論基礎。在眾多復雜的生長過程中，傳質過程如同“瓶頸”，限制著晶體生長的速度。只有解決傳質問題，才能實現晶體生長速率的大幅提升。（二）新型生長體系的研發基于對傳質過程的深刻理解，研究團隊經過大量的摸索與嘗試，自主研發了以二甲氧基乙醇為代表的全新生長體系。在這個體系中，通過多配位基團對膠束動力學過程進行精細調控，實現了溶質擴散系數提高3倍的顯著效果。在高溶質通量系統中，研究人員進一步將晶體生長溫度降低了60攝氏度，與此同時，晶體生長速率提高了4倍，生長周期也從原來的7天大幅縮短至1.5天。這種低溫生長條件不僅降低了能耗，還減少了環境擾動對晶體生長的影響，有效抑制了副反應，使得晶體中的雜質含量顯著降低，從而提高了晶體質量。（三）生長技術的普適性與多樣化成果該團隊研發的單晶薄膜生長技術具有出色的普適性。利用此技術，可以實現30余種厘米級單晶薄膜的低溫、快速、高通量生長。以甲胺鉛碘單晶薄膜為例，在70攝氏度的條件下，其生長速度可達8微米/分鐘，在一個結晶周期內，單晶薄膜尺寸能夠達到2厘米，相較于傳統方法下的4毫米有了極大提升。此外，該技術在元素替換方面表現出極高的靈活性，鈣鈦礦結構中常用的鉛元素可以輕易被低毒性的錫、鍺、鉍、銻、銅等元素替代，這對于解決傳統鈣鈦礦材料中鉛的毒性問題具有重要意義。同時，一些難以合成的具有雙金屬結構、多元素合金的單晶，也首次通過該技術實現了可控制備，為豐富鈣鈦礦材料體系提供了有力手段。四、光電性能研究及應用潛力（一）輻射探測器件的性能優勢為了探索鹵化物鈣鈦礦單晶晶片在實際應用中的潛力，研究團隊組裝了高性能的單晶薄膜輻射探測器件。該器件展現出諸多優異性能，首先，其具備高效的載流子收集性能，使得擴散長度遠超晶體厚度，從而有望實現探測器的自供電模式工作。在零偏壓和低電壓模式下，該器件的靈敏度均達到國際領先水平，是商業化α-Se探測器的5萬倍。這種高靈敏度使得探測器能夠更加精準地探測到微弱的輻射信號，在輻射探測領域具有極大的應用價值。（二）成像應用中的突出表現在像素陣列化器件中，該輻射探測器件展示出優異的空間尺度一致性，成功實現了大面積復雜物體的X射線成像。以胸透成像為例，基于該高質量晶片的器件，其輻射強度比常規醫療診斷所需的輻射強度低100倍。這一顯著優勢意味著在醫療成像領域，使用該器件可以在保證成像質量的前提下，大幅降低患者所接受的輻射劑量，減少輻射對人體的潛在危害，為醫療輻射成像技術的發展提供了新的方向。（三）未來應用拓展的展望目前，研究團隊正朝著多個方向進一步拓展鹵化物鈣鈦礦單晶晶片的應用。預計在一年內，通過技術優化，在一個結晶周期內單晶薄膜尺寸可達3-4厘米，這將為進一步的產業化推進奠定基礎。未來的攻關方向主要包括十英寸級晶圓的可控制備，以滿足大規模生產對晶圓尺寸的需求；研發薄膜晶體管耦聯技術，實現鈣鈦礦晶片與薄膜晶體管的高效集成，提升光電子器件的整體性能；開發動態高分辨成像技術，進一步提高輻射探測成像的分辨率與動態范圍，拓展其在更多領域的應用，如工業無損檢測、安全檢查等。五、結論鹵化物鈣鈦礦單晶晶片在可控生長及光電性能研究方面已經取得了顯著進展。通過對生長過程關鍵因素的揭示與新型生長技術的研發，實現了單晶晶片的低溫、快速、可控制備，構建了豐富的高質量厘米級單晶薄膜材料庫。在光電性能方面，基于單晶晶片組裝的輻射探測器件