加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師開發(fā)了一種將鈣鈦礦制成單晶薄膜的新方法，與目前最新的多晶形式相比，這種鈣鈦礦在太陽能電池和光學(xué)設(shè)備中的使用效率更高。

他們的制造方法 -使用標準的半導(dǎo)體制造工藝-產(chǎn)生具有受控面積，厚度和成分的柔性單晶鈣鈦礦薄膜。這些單晶膜比多晶膜具有更少的缺陷，更高的效率和更高的穩(wěn)定性，這可能導(dǎo)致鈣鈦礦在太陽能電池，LED和光電探測器中的使用。

許勝教授的雅各布斯工程學(xué)院納米工程實驗室的研究人員于7月29日在《自然》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

“我們的目標是克服實現(xiàn)單晶鈣鈦礦裝置的挑戰(zhàn)，”納米工程研究生和論文的第一作者雷宇生說。“我們的方法是第一種可以精確地高效控制單晶器件的生長和制造的方法。該方法不需要昂貴的設(shè)備或技術(shù)-整個過程基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造，進一步表明了其與現(xiàn)有半導(dǎo)體的兼容性。工業(yè)程序。”

鈣鈦礦是一類具有特定晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，具有令人著迷的電子和光電特性，這使得鈣鈦礦非常適合用于引導(dǎo)，檢測或控制光的設(shè)備(太陽能電池，通信用光纖或LED-例如基于設(shè)備的設(shè)備。

“目前，幾乎所有的鈣鈦礦制造方法都集中在多晶結(jié)構(gòu)上，因為它們的生產(chǎn)和制造容易，盡管它們的性能和穩(wěn)定性不如單晶結(jié)構(gòu)那么出色，”納米工程研究生和第一作者之一的伊木·陳說。紙。

在制造期間難以控制單晶鈣鈦礦的形式和組成。徐的實驗室發(fā)明的方法能夠通過利用包括光刻在內(nèi)的現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝來克服這一障礙。

“手機，計算機和衛(wèi)星等現(xiàn)代電子設(shè)備都是基于單晶薄膜，例如硅，氮化鎵和砷化鎵等材料。” Xu說。“與多晶體相比，單晶體具有更少的缺陷，因此具有更好的電子傳輸性能。這些材料必須以薄膜形式與設(shè)備的其他組件集成，并且集成過程應(yīng)可擴展，低成本并理想地與多晶硅兼容?，F(xiàn)有的工業(yè)標準。這對鈣鈦礦來說是一個挑戰(zhàn)。”

在2018年，Xu的團隊是第一個成功將鈣鈦礦集成到工業(yè)標準光刻工藝中的團隊; 這是一個挑戰(zhàn)，因為光刻涉及鈣鈦礦敏感的水。他們通過在鈣鈦礦中添加聚合物保護層，然后在制造過程中干蝕刻保護層來解決這個問題。在這項新的研究中，工程師們設(shè)計了一種光刻掩模圖案，以控制橫向和縱向尺寸，從而開發(fā)了一種控制鈣鈦礦單晶生長的方法。

在制造過程中，研究人員使用光刻技術(shù)在混合鈣鈦礦塊狀晶體的基板上蝕刻掩模圖案。掩模的設(shè)計提供了可見的過程來控制超薄晶體膜形成的生長。然后將該單晶層從塊狀晶體襯底上剝離，并轉(zhuǎn)移到任意襯底上，同時保持其形式和對襯底的粘附性。將具有逐漸變化的組成的鉛-錫混合物應(yīng)用于生長溶液，從而形成單晶薄膜的連續(xù)漸變電子帶隙。

鈣鈦礦位于夾在兩層材料之間的中性機械平面上，從而使薄膜彎曲。這種靈活性允許將單晶膜結(jié)合到高效柔性薄膜太陽能電池和可穿戴設(shè)備中，從而有助于實現(xiàn)無電池?zé)o線控制的目標。

他們的方法使研究人員能夠制造單晶薄膜 5.5平方厘米達5.5厘米，而具有在所述單晶的厚度控制鈣鈦礦 -ranging從600納米至100微米，以及在厚度的組合物梯度方向。

徐說：“進一步簡化制造工藝和提高轉(zhuǎn)移成品率是我們正在研究的緊迫問題。” “或者，如果我們可以用功能性載流子傳輸層代替圖案掩模來避免轉(zhuǎn)移步驟，則可以大大提高整個制造良率。”

這項研究表明，可以使用標準的納米加工程序和材料制造穩(wěn)定有效的單晶器件，而不是尋找穩(wěn)定多晶鈣鈦礦使用的化學(xué)試劑。徐的團隊希望進一步擴展這種方法，以實現(xiàn)鈣鈦礦的商業(yè)潛力。