近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員劉生忠團(tuán)隊(duì)與陜西師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員劉渝城、美國(guó)西北大學(xué)教授Mercouri G. Kanatzidis合作，研發(fā)一種有效的晶體生長(zhǎng)策略來(lái)制備尺寸高達(dá)幾個(gè)英寸的高質(zhì)量多元混合離子鈣鈦礦單晶，并利用這種大尺寸純相的鈣鈦礦單晶設(shè)計(jì)制備了自驅(qū)動(dòng)集成光探測(cè)器。
大連化物所研制出多英寸鈣鈦礦單晶并應(yīng)用于自驅(qū)動(dòng)集成光探測(cè)器研究
在FAPbI3鈣鈦礦中摻入銫離子、甲胺離子和溴離子，可以形成多陽(yáng)離子及多鹵素離子的鈣鈦礦（FAMACs），這種結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦目前被證明是高效的光伏光電器件的最佳組成，因?yàn)檫@種鈣鈦礦相對(duì)更穩(wěn)定，離子遷移小，能夠有效降低器件中的遲滯現(xiàn)象，具有更高器件穩(wěn)定性。然而，不同的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道的基于FAMACs的高性能器件中，幾種離子的組成和比例不盡相同，尤其是銫離子的相對(duì)含量。此外，對(duì)于這種多成分鈣鈦礦，在結(jié)晶過(guò)程中容易出現(xiàn)相分離而形成黃色的非鈣鈦礦相，該成分的存在將會(huì)形成缺陷俘獲或散射中心，從而影響器件性能。
基于以上問(wèn)題，該合作團(tuán)隊(duì)選用還原劑（甲酸）來(lái)抑制晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的相分離，進(jìn)而制備了大尺寸的三陽(yáng)離子混合鹵化物鈣鈦礦單晶。這種基于還原劑策略穩(wěn)定生長(zhǎng)的鈣鈦礦單晶具有相對(duì)更長(zhǎng)的載流子壽命，更高的電荷遷移率，更長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散距離，以及優(yōu)異的均勻性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因此基于該高質(zhì)量的鈣鈦礦單晶設(shè)計(jì)制備的自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器具有響應(yīng)率高，光電導(dǎo)增益大，探測(cè)率高，以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。此外，基于該單晶制備的12 12像素探測(cè)器陣列具有均勻的光響應(yīng)，因此對(duì)一個(gè)2 2像素的陣列進(jìn)行選擇性輻照時(shí)在像素之間顯示出良好的分辨力。這種設(shè)計(jì)為鈣鈦礦自驅(qū)動(dòng)集成電路成像應(yīng)用開(kāi)辟了一條新途徑。
相關(guān)成果近期發(fā)表在Science Advances上。該工作得到了西安交通大學(xué)劉明教授團(tuán)隊(duì)的支持和幫助，以及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、陜西省科技創(chuàng)新引導(dǎo)項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
