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全球首创!“毫米级碎钻变厘米级钻石”,中国助推这种明星半导体的晶体生长提速4倍

桂粤科普
桂林理工大学教师,三年科普中国优秀信息员、广东科学传播达人。
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通过试验,他们的辐射探测器件不需要外源供电,实现大面积复杂物体的自供电X射线成像。

4月2日,解放日报·上观新闻记者走进华东理工大学实验18楼的底层实验室,显微镜观察下,一种明星半导体材料在溶液中,从一颗颗小晶核,渐渐长成六边形的晶片,不仅比传统方法提速4倍,其尺寸也有了倍增,且拥有前所未有的高性能。

晶体材料在实验室的溶液中生长。徐瑞哲 摄

原来,华理团队基于钙钛矿,自主研发高溶质通量的单晶薄膜生长系统,取得通用晶体生长技术突破,相关成果日前见刊国际学术期刊《自然·通讯》,可应用于从光伏、芯片到医学影像装备等的核心器件。

制备多种高质量厘米级单晶薄膜材料(资料图片)

【生长周期从7天缩短至1.5天】

金属卤化物钙钛矿是一类光电性质优异、可利用溶液制备的明星半导体材料,在太阳能电池、发光二极管、辐射探测领域展现出应用前景,被誉为新能源、生态环保等领域的新质生产力,成为学术界、工业界争相创新研发的目标。

目前,这些光电子器件主要采用多晶薄膜作为光活性材料,但多晶形式的“先天缺陷”显著降低器件性能和使用寿命。相对于碎钻般的多晶薄膜,钙钛矿单晶晶片如同完美的“非洲之星”钻石,其极低的缺陷密度仅为多晶薄膜的十万分之一左右,同时兼具优异的光吸收、输运能力以及稳定性,成为更理想的候选材料。

然而,国际上尚未有钙钛矿单晶晶片的通用制备方法,传统的空间限域方法仅能以高温、生长速率慢的方式制备几种毫米级单晶,极大限制了单晶晶片的实际应用。如何“魔法实施”,华东理工大学清洁能源材料与器件团队自主研发的钙钛矿单晶薄膜通用生长技术,就让毫米级“碎钻”长成了厘米级“完美钻石”。

华东理工大学清洁能源材料与器件团队在实验室。徐瑞哲 摄

钙钛矿单晶薄膜材料生长涉及成核、溶解、传质、反应等多个过程,研究团队揭示出传质过程是决定晶体生长速率的关键因素,使得溶质的扩散系数提高了3倍。在这一高溶质通量系统中,研究人员将原有的晶体生长温度降低了60摄氏度,生长速率也是原来的4倍以上,生长周期由7天缩短至1.5天。

“这项生长技术具有普适性,可以实现30余种金属卤化物钙钛矿半导体的厘米级单晶薄膜生长,低温、快速、可控,而且高通量。”该成果的主要完成人、华东理工大学侯宇教授表示,这为新一代的高性能光电子器件提供了丰富的材料库,一些难以合成的具有双金属结构、多元素合金的单晶,也首次实现了可控制备。

创新方法与传统方法生长效果对比。徐瑞哲 摄

【辐射探测器件不需要电源供电】

常言道“慢工出细活”,但在单晶生长这件事上按下加速键反而达成了高质量。解放日报·上观新闻记者获悉:这一研究成果不但突破了传统生长体系中溶质扩散不足的技术壁垒,提供了一条普适通用、更高效率、更低条件的单晶薄膜生长路线,还基于这一关键材料,组装出高性能单晶薄膜的辐射探测器件,目前主要用于X光探测和成像。

生活中,水视窗、X射线衍射、CT检查、安检、放射治疗等等,辐射以看不见摸不着的形式存在。无论哪种辐射,必须借助辐射探测器,给出辐射的类型、强度、能量及时间等特性,同时也可以根据光源辐射成像。而基于高质量单晶薄膜所组装的辐射探测器件,不但可用于自供电的辐射成像,还将大大降低辐射强度。

团队合影。实验室供图

其背后,主要得益于高效的载流子收集,使得器件的扩散长度远超晶体厚度,从而有望实现自供电模式工作。经实测,高质量单晶薄膜所组装的辐射探测器件,在零偏压和低电压模式下的灵敏度均达到国际领先水平,是商业化α-Se探测器的5万倍。此外,在像素阵列化器件中也展示出优异的空间尺度一致性。以胸透成像为例,基于高质量晶片的器件比常规医疗诊断所需的辐射强度数值低100倍。

团队导师侯宇表示,通过试验,他们的辐射探测器件不需要外源供电,实现大面积复杂物体的自供电X射线成像,避免了高工作电压的限制,拓展出辐射探测的应用场景,为便携式、户外等条件下的探测提供了新范式。

这项研究工作得到了国家高层次人才特殊支持计划、国家优秀青年科学基金、上海市基础研究特区等项目资助,以华东理工大学为唯一通讯单位,华理材料科学与工程学院博士生刘达为论文第一作者,侯宇和杨双教授为通讯作者,并得到杨化桂教授指导。

图片来源:除资料图片外,均 徐瑞哲 摄

评论
科普62a1537e
庶吉士级
已阅读。
2024-04-07
科普宣传333
少傅级
学习了👍
2024-04-07