一種新方法可以使研究人員制造出更高效，更持久的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，LED和光電探測(cè)器。通過在具有不同成分的基板上生長(zhǎng)鈣鈦礦薄膜，加利福尼亞圣地亞哥大學(xué)的工程師發(fā)明了一種制造具有精確變形或變形結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦單晶的方法。

該作品于1月8日發(fā)表在《自然》上。

對(duì)鈣鈦礦中的少量應(yīng)變進(jìn)行工程處理是非常令人感興趣的，因?yàn)樗峁┝艘环N方法來(lái)對(duì)材料的屬性進(jìn)行重大更改，例如如何改變其導(dǎo)電性，吸收和透射光的穩(wěn)定性。

加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院納米工程學(xué)教授，該研究的高級(jí)作者徐勝說：“您可以使用應(yīng)變工程學(xué)作為旋鈕來(lái)調(diào)整現(xiàn)有功能，甚至在材料中安裝新功能。”

有一些利用熱量在鈣鈦礦晶體中引入應(yīng)變的技術(shù)，但是該應(yīng)變通常是短壽命的，或者就其強(qiáng)度而言是不可控制的，這使得這些應(yīng)變工程化的鈣鈦礦無(wú)法使用?，F(xiàn)有的應(yīng)變工程技術(shù)也與器件制造工藝不兼容。

徐和他的團(tuán)隊(duì)通過小心地生長(zhǎng)變形的鈣鈦礦單晶解決了這些問題。他們的技術(shù)將應(yīng)變永久性地嵌入到材料的結(jié)構(gòu)中，并允許他們調(diào)整應(yīng)變的數(shù)量-晶格變形越大，應(yīng)變?cè)礁摺?/p>

這項(xiàng)研究中研究的鈣鈦礦類型為α-甲ami碘化鉛，迄今為止已被用于制造效率最高的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。研究人員在一系列具有不同成分和晶格尺寸的鈣鈦礦襯底上生長(zhǎng)了這種材料的晶體，這一過程稱為異質(zhì)外延生長(zhǎng)。隨著材料的結(jié)晶，它采用了其基板的晶格尺寸，這實(shí)際上迫使α-甲ami碘化鉛晶體的生長(zhǎng)與正常情況不同。

納米工程博士Yimu Chen解釋說：“因此，材料中的晶格會(huì)變形和變形到不同的程度，這取決于材料和基材之間的晶格失配。”徐氏實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生，也是該研究的第一作者。

“由于我們?cè)谠蛹?jí)引入了應(yīng)變，因此我們可以精確地設(shè)計(jì)和控制應(yīng)變，”也是納米工程博士學(xué)位的雷宇生說。徐氏實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生和該研究的另一共同第一作者。

研究人員培育出鈣鈦礦晶體，其應(yīng)變水平從0到-2.4%不等，有5種。他們發(fā)現(xiàn)，-1.2%應(yīng)變產(chǎn)生的樣品具有最佳的載流子遷移率。

研究小組還報(bào)告了另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)：生長(zhǎng)具有應(yīng)變的α-甲ami碘化鉛晶體可以穩(wěn)定其光敏α相。Chen說：“α-甲ami碘化鉛以無(wú)應(yīng)變形式經(jīng)歷了從光活性相到非光活性相的相變，這對(duì)光伏應(yīng)用是不利的。”“通過我們的生長(zhǎng)方法，我們可以將材料的晶體結(jié)構(gòu)與基板鎖定在一起，以防止這種相變并增強(qiáng)其相穩(wěn)定性。”

在未來(lái)的研究中，研究人員將探索他們可以使用他們的方法將哪些新特性和功能性應(yīng)用到鈣鈦礦上。他們還將努力擴(kuò)大其工藝，以生產(chǎn)用于工業(yè)應(yīng)用的大型單晶薄膜。