中國科學院化學所在印刷制備鈣鈦礦單晶薄膜方面取得重要進展

中國科學院化學所在印刷制備鈣鈦礦單晶薄膜方面取得重要進展

鈣鈦礦材料具有優異的光電性能，近年來在太陽能電池、發光二極管、光電探測器、激光等諸多領域得到了廣泛的研究。目前，傳統方法制備的鈣鈦礦薄膜通常為多晶薄膜，相比鈣鈦礦多晶薄膜，單晶薄膜具有較低的缺陷密度、較高的載流子遷移率和擴散長度，在高性能鈣鈦礦器件中有著重要的應用前景。然而由于鈣鈦礦薄膜結晶過程中的隨機成核問題，尤其是在結晶過程中鈣鈦礦兩種前驅體的快速反應造成的不可控成核，成為制備鈣鈦礦單晶薄膜的巨大挑戰。 

　　在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中科院化學所綠色印刷重點實驗室課題組科研人員利用綠色納米印刷技術，在控制印刷墨滴實現功能材料精細圖案化（Adv. Mater. 2014, 26, 6950-6958）、打印制備鈣鈦礦單晶（Small, 2017, 13, 1603217）和印刷制備鈣鈦礦太陽能電池（Adv. Mater. 2017, 29, 1703236）等方面開展了一系列廣泛而深入的研究。 

　　在這些研究的基礎上，針對鈣鈦礦結晶過程中的隨機成核問題，綠色印刷實驗室課題組的研究人員創新性地將打印制備的晶種模板引入到結晶體系，并提出了一種利用晶種模板可控印刷制備鈣鈦礦單晶薄膜的普適性方法（圖1）。研究人員首先通過噴墨打印的方法在疏水基材上制備了鈣鈦礦晶種，然后將生長有晶種的模板覆蓋在滴有鈣鈦礦飽和溶液的目標基材。研究發現，將晶種模板引入到結晶體系可以有效地改變體系中的前驅體離子分布，并降低結晶過程中的隨機成核密度，從而實現鈣鈦礦單晶薄膜的可控制備。通過調控打印制備晶種的尺寸，可以實現對鈣鈦礦單晶薄膜厚度的有效調控。同時，由于晶種模板的疏水低粘附特性，利用晶種模板可以實現鈣鈦礦單晶薄膜在硅片、玻璃、石英、二維材料、高分子薄膜等不同基材上的印刷制備。這種印刷制備的鈣鈦礦單晶薄膜具有較高的結晶質量，可直接用于光電探測器和圖像傳感器等光電器件。該方法為鈣鈦礦單晶薄膜的可控制備提供了一種新的途徑，對印刷制備高性能鈣鈦礦器件具有重要意義。研究成果發表于近日的Science Advances, 2018, 4, eaat2390上。 

　　圖1 鈣鈦礦單晶薄膜的印刷制備