華東理工大學清潔能源材料與器件團隊自主研發的一種鈣鈦礦單晶薄膜通用生長技術，將晶體生長周期由7天縮短至1.5天，實現了30余種金屬鹵化物鈣鈦礦半導體的低溫、快速、可控制備，為新一代的高性能光電子器件提供了豐富的材料庫。近日，相關成果發表于國際知名學術期刊《自然-通訊》。

金屬鹵化物鈣鈦礦是一類光電性質優異、可溶液制備的新型半導體材料，在太陽能電池、發光二極管、輻射探測領域顯示出應用前景，被譽為新能源、環境等領域的新質生產力，成為了學術界、工業界爭相創新研發的目標。

目前，這些器件主要采用多晶薄膜為光活性材料，其表界面懸掛鍵、不飽和鍵等缺陷將顯著降低器件性能和使用壽命。相對于碎鉆般的多晶薄膜，鈣鈦礦單晶晶片如同完美的“非洲之星”，具有極低的缺陷密度（約為多晶薄膜的十萬分之一），同時兼具優異的光吸收、輸運能力以及穩定性，是高性能光電子器件的理想候選材料。

然而，國際上尚未有鈣鈦礦單晶晶片的通用制備方法，傳統的空間限域方法僅能以高溫、生長速率慢的方式制備幾種毫米級單晶，極大地限制了單晶晶片的實際應用。如何通過科技“魔法”，讓毫米級“碎鉆”長成厘米級“完美鉆石”？

研究團隊結合多重實驗論證和理論模擬，揭示了傳質過程是決定晶體生長速率的關鍵因素，自主研發了以二甲氧基乙醇為代表的生長體系，通過多配位基團精細調控膠束的動力學過程，使得溶質的擴散系數提高了3倍。在高溶質通量系統中，研究人員將原有的晶體生長溫度降低了60℃，晶體的生長速率提高了4倍，生長周期由7天縮短至1.5天。

“該單晶薄膜生長技術具有普適性，可以實現30余種厘米級單晶薄膜的低溫、快速、高通量生長。”該成果的主要完成人、華東理工大學侯宇教授介紹說。

這一研究成果不但突破了傳統生長體系中溶質擴散不足的技術壁壘，提供了一條普適性、低溫、快速的單晶薄膜生長路線，構建了30余種高質量厘米級單晶薄膜材料庫。此外，團隊還組裝了高性能單晶薄膜輻射探測器件，實現大面積復雜物體的自供電成像，避免高工作電壓的限制，拓展輻射探測的應用場景，為便攜式、戶外條件提供了新范式。

另據介紹，基于高質量單晶薄膜所組裝的輻射探測器件，在零偏壓和低電壓模式下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。

為實現“小材料”的“大用途”，清潔能源材料與器件團隊將在此實驗基礎上同步調控晶體的成核和生長過程，攻關鈣鈦礦晶片與薄膜晶體管的直接耦聯工藝，開發動態高分辨成像技術，為鈣鈦礦晶片的輻射探測應用落地鋪平道路。

該研究工作以華東理工大學為唯一通訊單位。華理材料科學與工程學院博士生劉達為本論文的第一作者，侯宇教授和楊雙教授為本論文的通訊作者，并得到了楊化桂教授的悉心指導。該研究工作得到了國家高層次人才特殊支持計劃、國家優秀青年科學基金、上海市基礎研究特區等項目的資助。