由于獨特的光電性質，有機金屬鹵化物鈣鈦礦在高性能太陽能電池、發光二極管、光電探測器和激光器等領域具有巨大應用潛力。相比多晶鈣鈦礦，單晶鈣鈦礦的載流子傳輸能力和穩定性更好。

“單晶鈣鈦礦脆性大、不易彎折，因此制備大面積、較薄厚度的鈣鈦礦單晶仍是一個極大的挑戰，這類材料難以在光電探測器中得到廣泛應用。”中國科學院大連化學物理研究所研究員劉生忠說。

近日，陜西師范大學研究員劉渝城與劉生忠團隊、美國西北大學教授Mercouri G. Kanatzidis合作，研發出一種有效的晶體生長策略，制備出尺寸達幾英寸的高質量多元陽離子及混合鹵素鈣鈦礦單晶，并利用這種鈣鈦礦單晶設計制備出自驅動集成光探測器。相關成果發表在《科學進展》上。

在FAPbI3鈣鈦礦中摻入銫離子、甲胺離子和溴離子，可以形成多陽離子及多鹵素離子的鈣鈦礦，這種結構的鈣鈦礦被證明是高效光伏光電器件的最佳組成。然而，不同研究團隊報道的基于此種鈣鈦礦的高性能器件中，幾種離子的組成和比例不盡相同，尤其是銫離子的相對含量。此外，在結晶過程中，這種多成分鈣鈦礦容易出現相分離(如形成黃色的非鈣鈦礦相)，同時在鈣鈦礦中會出現大量空位缺陷，這將形成缺陷俘獲或散射中心，從而影響器件性能及穩定性。

為了解決這些問題，合作團隊選用還原劑抑制晶體生長過程中的相分離，進而制備出大尺寸的三陽離子混合鹵素鈣鈦礦單晶。劉渝城介紹，傳統的高性能無機半導體單晶生長往往需要保證真空環境，并且要在500攝氏度以上高溫下進行。因此，早在2015年，該團隊發展了升溫反應結晶策略，在約100攝氏度低溫溶液中生長得到了高質量、大尺寸的有機金屬鹵化物鈣鈦礦單晶，并且不需要真空環境，大大降低了生長難度和成本。研究團隊在此前基礎上，通過優化結晶策略和控制單晶生長過程，生長了多元陽離子混合鹵素鈣鈦礦單晶。

測試發現，這種基于還原劑穩定策略生長的鈣鈦礦單晶具有相對更長的載流子壽命、更高的電荷遷移率、更長的載流子擴散距離、優異的均勻性和長期穩定性。

鑒于單晶優異的光電性質，研究團隊使用該單晶進一步設計組裝了集成型自驅動光探測器，發現該探測器具有響應率高、光電導增益大、探測率高、響應速度快等優點。此外，基于該單晶制備的12×12像素探測器陣列光響應均勻，對一個2×2像素的陣列進行選擇性輻照時在像素之間顯示出良好的分辨力。

劉渝城表示，這種設計為鈣鈦礦自驅動集成電路成像應用開辟了一條新途徑，接下來，團隊將進一步優化集成自驅動光探測器的性能，推動其走向商業化。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abc8844