3月4日，Nature Communications(《自然•通訊》 )在線發表了
武漢大學物理科學與技術學院方國家教授、林乾乾教授、陶晨研究員團隊關於鈣鈦礦單晶的最新研究成果。論文題為“Room-temperature liquid diffused separation induced crystallization for high-quality perovskite single crystals”（《室溫液相擴散誘導結晶法制備高質量鈣鈦礦單晶》）。該研究工作署名單位為武漢大學。物理科學與技術學院2018級博士生姚方為第一作者，方國家、林乾乾、陶晨為通訊作者。
近年來，鹵化物鈣鈦礦材料在光電領域得到了廣泛應用，且取得了極大進展。鈣鈦礦單晶作為研究鈣鈦礦本徵特性及光電器件的理想材料，已被廣泛地研究。目前，鈣鈦礦單晶的製備主要採用逆溫度結晶法（ITC）、反溶劑蒸發輔助結晶法（AVC）和低溫梯度結晶法（LTGC）等方法。這些方法的原理都是基於逆溶解度，通過改變溫度或溶劑成分以改變前驅體濃度達到過飽和結晶。
採用ITC或LTGC生長單晶時需要較高的溫度（從室溫升高到90或60℃）。然而已有報道表明，鈣鈦礦單晶生長溫度越高，其缺陷密度就越高；升溫或降溫產生的熱對流會對鈣鈦礦單晶結構產生不利影響，容易生成孿晶或多晶。另外變溫速率的精確控制非常困難，從而影響鈣鈦礦單晶質量和相關器件性能。因而開發一種恆低溫鈣鈦礦單晶的生長方法具有重要意義。
研究團隊提出了室溫液相擴散誘導生長鈣鈦礦單晶的新思路，開發出了一種製備高質量鈣鈦礦單晶的新方法—室溫液相擴散誘導結晶（LDSC），即溶劑通過擴散進入硅油從而使前驅體溶液達到過飽和形核結晶。利用媒介硅油與溶劑二甲基甲酰胺（DMF）互不相溶，硅油密度介於DMF和鈣鈦礦前驅體之間的特性，DMF擴散進入硅油上層，從而減少前驅體溶液的體積使其濃度達到過飽和，最終形核並生長得到高質量的鈣鈦礦單晶(已申請中國發明專利)。 該方法不僅可以製備三維MAPbX3(X=Cl, Br, I)單晶，還可以製備PA2PbBr4、BA2PbBr4、PMA2PbBr4等二維單晶，是一種高普適性的製備高質量鈣鈦礦單晶方法。
此外，通過建立晶體生長模型，團隊揭示了該方法制備鈣鈦礦單晶的生長動力學機制，即密度差導致的溶劑擴散、前驅體體積漸減而濃度恆定的析晶機制。與ITC、LTGC、AVC等方法相比，LDSC具有單晶生長溫度低（室溫）且恆定、製備的晶體質量高（搖擺曲線半高寬小於0.0096°）、缺陷態密度低（4.4×109cm-3）、壽命長（約1 µs）、單晶產率高（92%）、普適性好等優點。 此外，LDSC-MAPbBr3鈣鈦礦單晶在可見光和X-ray探測方面表現出了良好的應用前景。
這項工作的共同作者還包括劉昌教授，李博睿博士，博士生彭家麗、李文靜、桂鵬彬，碩士生李睿明。該工作得到了國家自然科學基金、湖北省科技計劃和中央高校基本科研業務費專項資金的資助。
來源 武漢大學新聞網
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15037-x
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