［本站(zhàn)訊］ 近日，空間科學與物理(lǐ)學院空間科學攀登團隊行星科學課題組在模拟深空低(dī)壓條件下(xià)的鈣钛礦單晶制備方面取得新(xīn)進展。3月(yuè)(yuè)30日，該研究成果以“Perovskite Single Crystals by Vacuum Evaporation Crystallization”爲題目，以研究論文（Research article）的形式在線發表在國際權威期刊Advanced Science（JCR分(fēn)區1區，IF：15.1）上(shàng)。行星科學課題組劉董爲論文第一(yī)作(zuò)者，山東大學教授武中臣、上(shàng)海科技大學教授甯志軍爲論文共同通訊，山東大學爲第一(yī)完成單位。

圖1. 鈣钛礦晶體生(shēng)長。（a）減壓蒸發結晶方法的裝置圖；（b）DMF氣液狀态的溫壓相圖；（c）MAPbBr₃在DMF中的壓力依賴性溶解度；（d）鈣钛礦溶液(1 M MAPbBr₃在DMF中)在不同壓力和溫度下(xià)的淨蒸發速率；（e）鈣钛礦溶液體積随時間變化(huà)的函數圖；（f）La Mer圖和溶劑蒸發速率(dV/dt)随時間的函數圖；（g）不同樣品的FTIR結果：純DMF, VEC -MAPbBr₃-DMF, MABr-DMF和MAPbBr₃-DMF；（h）腔體壓強P低(dī)于溶液的飽和蒸汽壓P_o時，溶劑蒸發的示意圖。

圖2.鈣钛礦單晶圖片。（a）MAPbX₃(X = I, Br, Cl)單晶；(b) Cs_0.4FA_0.6PbI_1.48Br_1.52, Cs_0.76MA_0.24PbI_0.54Br_2.46and MAPbI_1.14Br_1.86單晶。

金(jīn)屬鹵化(huà)物鈣钛礦單晶的發展推動其在太陽能(néng)電池、光電探測器(qì)等多個應用場景的研究，也(yě)爲深空環境下(xià)光電半導體器(qì)件的應用開辟了(le)新(xīn)方向。當前鈣钛礦材料的結晶方法已經發展多種，液相降溫結晶、逆溫結晶、低(dī)溫梯度結晶、反溶劑結晶、液相分(fēn)離誘導結晶、配體輔助結晶等。通常研究者會采用溫度控制或引入新(xīn)物質（如(rú)反溶劑、矽油或配體）的方法生(shēng)成過飽和的鈣钛礦前軀體溶液。盡管這些(xiē)方法行之有效，但(dàn)其複雜的鈣钛礦結晶環境，不僅影響鈣钛礦單晶的質量，也(yě)給深空環境中原位合成鈣钛礦晶體帶來巨大挑戰。例如(rú)，溫度控制過程中的熱波動和熱對流會影響晶體生(shēng)長（溫度梯度和溫度場）的穩定性，進而會擾亂單晶的有序生(shēng)長，導緻鈣钛礦晶體中的晶格失配和錯位。如(rú)果将溫度控制方法應用到深空原位合成鈣钛礦晶體，意味着要增加能(néng)源供應設備。此外，反溶劑、液相分(fēn)離和配體輔助等技術，雖然避免了(le)溫度的影響，但(dàn)新(xīn)物質的引入，不僅會增加溶劑的回收難度而且新(xīn)物質有可能(néng)嵌入鈣钛礦晶體，導緻晶體質量下(xià)降。考慮到這些(xiē)挑戰，探索避免溫度和輔助物質影響的鈣钛礦晶體生(shēng)長方法顯得尤爲重要。

深空中的低(dī)氣壓和超潔淨環境是地球上(shàng)無法獲取的環境資源，在此類模拟環境下(xià)進行鈣钛礦晶體材料制備，有望實現材料品質的提升。鑒于，現存的鈣钛礦單晶生(shēng)長方法不僅會導緻晶體的生(shēng)長環境變得複雜，也(yě)難以實現深空原位生(shēng)長鈣钛礦晶體的現狀。團隊利用模拟的外太空低(dī)氣壓環境在鈣钛礦晶體地外環境原位制備方面作(zuò)出了(le)有益嘗試，并在提升鈣钛礦品質方面獲得了(le)成功。

圖3. MAPbBr₃單晶的x射線衍射圖。（a）MAPbBr₃單晶的粉末XRD圖；（b）MAPbBr₃單晶的XRD圖；（c）MAPbBr₃單晶的粉末Phi圖；（d）MAPbBr₃單晶的極圖；（e）MAPbBr₃單晶的（100）搖擺曲線半峰寬；（f）MAPbBr₃單晶的（200）搖擺曲線半峰寬。

圖4. MAPbBr₃單晶的光電性質。（a）VEC-MAPbBr₃和HT-MAPbBr₃單晶的吸收光譜，插圖爲相應的光學帶隙；（b）VEC-MAPbBr₃和HT-MAPbBr₃單晶在相同激發強度下(xià)的光緻發光光譜；（c）VEC-MAPbBr₃和HT-MAPbBr₃單晶的時間分(fēn)辨光緻發光；（d）純空穴和純電子(zǐ)的MAPbBr₃單晶器(qì)件的器(qì)件結構；(e) VEC-MAPbBr₃和(f) HT-MAPbBr₃單晶的純空穴和純電子(zǐ)器(qì)件的暗電流-電壓曲線；VEC-MAPbBr₃和HT-MAPbBr₃單晶的計算(suàn)陷阱密度(g)和空穴載流子(zǐ)遷移率(h)統計圖；(i)不同方法制備的MAPbBr₃單晶的搖擺曲線和遷移率比較圖。

本文報道了(le)一(yī)種簡單而有效的鈣钛礦單晶的方法，即真空蒸發結晶方法。利用山東大學前期搭建的國内首台火(huǒ)星艙，通過降低(dī)壓強促使溶劑蒸發的技術，很好(hǎo)(hǎo)地維持過飽和鈣钛礦溶液的濃度并在極其穩定的條件下(xià)實現單晶的生(shēng)長。這種方法不僅避免了(le)溫度波動和輔助物質的影響，還能(néng)極好(hǎo)(hǎo)地匹配深空低(dī)壓環境(如(rú)月(yuè)(yuè)球和火(huǒ)星)。此方法不僅成功制備出了(le)多種體系的鈣钛礦單晶，還生(shēng)長出了(le)XRD搖擺曲線半峰寬僅爲0.00701°的MAPbBr₃鈣钛礦單晶，并展現出更長的熒光壽命、更低(dī)的陷阱密度和更高的遷移率。真空蒸發結晶技術不僅爲在深空環境的原位生(shēng)長鈣钛礦晶體、充分(fēn)利用地外低(dī)氣壓環境提供了(le)一(yī)個新(xīn)思路(lù)和成功的嘗試，也(yě)爲鈣钛礦太陽能(néng)電池的産業化(huà)提供了(le)高品質鈣钛礦晶體。