研究人员在一系列不同成分和晶格尺寸的基底上培育了钙钛矿应变单晶薄膜。
据《自然》杂志1月8日报道，美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究人员通过在不同成分的基底上培育钙钛矿薄膜，制造出了具有精确形变/应变结构的钙钛矿单晶。该成果可使太阳能电池、LED电器和光电探测器更高效、更耐用。
赋予钙钛矿少量的应变是非常有趣的。它可以使材料的导电、吸光、光传输和稳定性等性质产生重大改变。论文作者、UCSD纳米工程教授Sheng Xu说：“应变工程可作为功能调节旋钮，乃至新功能安装组件。”
此前，研究人员已经能通过加热技术在钙钛矿晶体中引入应变，但这类应变通常是短暂的，或者应变强度不受控制。因此，这类应变加工的钙钛矿不具备太高的应用价值。此外，现有应变工程技术与设备制造工艺不兼容。Xu的团队通过精心培育变形钙钛矿单晶解决了这些问题。他们将永久性应变嵌入材料结构中，并且应变强度可以调节——晶格变形程度越高，应变强度越大。
Xu等对甲脒铅碘盐进行了研究。目前，基于甲脒铅碘盐的钙钛矿太阳能电池，效率最高。研究人员在一系列成分、晶格尺寸各异的钙钛矿基底上培育了甲脒铅碘盐晶体。该过程被称为“异质外延生长”。当材料结晶时，就会“继承”基底的晶格尺寸。
论文作者、纳米工程博士生Yimu Chen解释说：“受异质外延生长影响，材料的晶格发生了变形和应变，其变化程度由材料和基底之间的晶格失配决定。”另一位作者、纳米工程博士生Yusheng Lei补充说：“应变是从原子水平引入的，因此我们可以精确地设计和控制应变。”
研究人员培育了五种不同应变（0~-2.4%）的钙钛矿晶体。他们发现，应变为-1.2%的样品具有最佳载流子迁移率。除此之外，研究人员还有另一个有趣的发现：应变加工使甲脒铅碘盐晶体的光活性相趋于稳定。Chen说：“在无应变样品中，甲脒铅碘盐会经历从光活性相到非光活性相的相变，这对光伏应用来讲是不利的。用我们的方法培育的样品，可以防止这种不利相变，并增强其相稳定性。”
在接下来的研究中，研究人员将探索应变工程加工后的钙钛矿材料具有何种新特性。另外，他们还将致力于生产过程扩大化研究，以制造出满足工业应用需求的大型单晶薄膜。
原创编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：张梦
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/uoc--gsc010920.php
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