［本站讯］近日，山东大学空间科学与物理学院空间科学攀登团队行星科学课题组在有机无机杂化钙钛矿单晶生长及其深空光电探测研究方面取得新进展。11月28日，该研究成果以“Interface Tension Assisted Temperature-Gradient Crystallization for High-Quality MAPbBr₃Perovskite Single Crystals with Low Defect Density”为题目发表在国际权威期刊ACS Applied Material&Interfaces（JCR分区1区，IF：9.5）上。行星科学课题组刘董为论文第一作者，山东大学（武中臣教授、吕英波教授）和上海科技大学为论文共同通讯单位，山东大学为第一完成单位。该研究工作得到了上海科技大学在晶体电学和光学性能表征方面的支持。

近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料以其优异的光电半导体性能而被广泛应用于光电器件的研究，如太阳能电池、光电探测器、激光器、发光二极管和晶体管等。然而，大部分钙钛矿基光电器件都是用其多晶薄膜来制备。与钙钛矿单晶相比，其多晶薄膜表现出较差的电荷传输特性，并且容易发生化学降解。此外，钙钛矿单晶因其无扩展缺陷（晶界）而具有许多优点，包括高迁移率，长复合寿命，低离子迁移率和高稳定性。目前，在钙钛矿晶体结晶与生长方面，各国研究者已经开发了几种生长策略，包括逆温结晶，反溶剂蒸汽辅助结晶，配体辅助结晶，液相分离诱导结晶，高温熔融生长和液相降温结晶方法。其中，基于溶液的钙钛矿晶体生长方法是最简单有效的选择。然而，在溶液中快速生长高质量的钙钛矿单晶依然面对诸多挑战。对于通过变温控制结晶的方法，由于温度梯度和热对流的原因，而致使晶体形成大量缺陷。对于反溶剂蒸汽或配体辅助结晶方法，排除了温度梯度的干扰，但有效控制反溶剂的扩散极其困难。此外，由于反溶剂引起的钙钛矿溶液各个区域的溶解度不均匀，造成溶液组分的偏差，从而导致晶体质量的下降。液相分离诱导结晶方法通过室温缓慢蒸发溶剂来能够制备出高质量的MAPbBr₃单晶，但溶剂扩散缓慢，限制了单晶的生长速度。

图1. MAPbBr₃钙钛矿结晶与晶体生长。(a) PDMS辅助结晶原理图；(b)形核半径与自由能的关系；(c)溶液的表面和内部的形核半径的比较；(d)生长过程中自由能变化图解；(e)界面悬浮生长的力学图解。

图2. MAPbBr₃钙钛矿单晶的表征。(a)粉末XRD和最大面XRD图谱；(b) XRD摇摆曲线；(c)吸收曲线和禁带宽度；(d)荧光寿命曲线；(e)和(f) I-V测试曲线。

图3. MAPbBr₃单晶探测器的x射线探测器。(a)结构图；(b)光电流响应；(c)灵敏度；(d)探测极限。

基于以上挑战，行星科学课题组在系统研究界面张力对钙钛矿结晶过程作用的基础上，开发了一种PDMS（聚二甲基硅氧烷）辅助温度梯度晶体生长技术（PTG）。利用PTG技术，课题组能够快速制备出了高质量的MAPbBr₃钙钛矿单晶。该单晶展现出纪录级的最窄XRD摇摆曲线半峰宽0.00806^o，以及1002 ns的长载流子寿命和4.25×10⁹cm^-3超低缺陷态密度。课题组利用自产的MAPbBr₃钙钛矿单晶制作的X射线探测器，实现了7275 μC Gy^-1cm²的高灵敏度和0.67 μGy^-1的低探测极限。该课题组的研究工作首次揭示界面张力在钙钛矿晶体生长过程中作用机理，为高质量钙钛矿单晶的快速制备提供了一种有效可行的方法，也为深空高能射线探测器的研制提供了一种新的选择。

全文链接地址：https://doi.org/10.1021/acsami.3c13614