[发明专利]温差定位诱导钙钛矿单晶的可控生长方法

说明书

本发明公开了一种温差定位诱导钙钛矿单晶的可控生长方法，基于溶液法，利用有机‑无机杂化钙钛矿在特定溶剂中的溶解度随着温度的上升有着明显下降的特点，在析晶点附近，人为制造温差，可控诱导成核，达到晶体的可控生长。由于聚四氟乙烯易加工、耐高温、耐腐蚀、导热系数低、传热慢，金属传热快，在金属与聚四氟乙烯交界处附近形成一定温差，且该范围区域的温度高于其他位置，使该区域溶解度降低，相对低于其他位置，以诱导在该区域成核。这种方法制备相比于常规逆温生长方法能实现可控成核，可控生长；原料利用率高；生长出来的晶体质量高，形状规则，受到应力小，该制备方法制备出来的单晶可制作出优异性能的光电探测器以及高能粒子探测器。

技术领域

本发明涉及一种基于溶液法的有机-无机混合钙钛矿晶体的温差定位诱导可控成核方法，属于晶体材料制造技术领域。

背景技术

卤化物钙钛矿材料(ABX₃,X＝Cl,Br,I)是一种优良的光电材料，通过简单的实验可实现光电转换效率的快速上升，在太阳能电池领域获得了超过22％的光电转换效率，显示出可与现有光伏材料竞争的潜力。因其具备吸收系数高、载流子寿命长、载流子迁移率高、载流子扩散长度长、陷阱态密度低、激子束缚能低等优异的光电性能，在全世界掀起了一股钙钛矿材料的研究热潮。随着研究进一步推进，在太阳能电池、激光、光电探测器，到发光二极管、晶体管和热电材料等，钙钛矿材料都展示了它极大的应用潜力。相比多晶和薄膜，单晶表现出更低的缺陷密度和没有晶粒边界的特点，展现出更优异的光电性能。为了进一步研究物理性质和晶体结构，科学家们对单晶钙钛矿展开了进一步的研究。而大尺寸、高质量的钙钛矿单晶为钙钛矿的物理性能研究提供了一个理想的实验平台，所以大尺寸、高质量钙钛矿单晶的生长方法是至关重要的。

有机-无机杂化钙钛矿晶体的熔点较低，经典的有机-无机杂化钙钛矿晶体生长方法是逆温生长法，利用的是物质的溶解度随着温度的升高而减小的物理原理。采用逆温生长法可以精准控制单晶的生长浓度，容易获得较厚的钙钛矿单晶，但是由于晶体容易在容器壁上成核，在生长过程中会受到容器壁的应力，且成核点较多，不确定在什么位置成核，较难形成大体积且具有高质量的晶体，影响测试的结果和材料性能。Liu团队采用了籽晶连续生长法生长大尺寸(20mm)SCFP(甲脒基钙钛矿型单晶)FAPbI₃钙钛矿，该方法先高温大量成核，选取一颗籽晶放入到新的钙钛矿溶液中，加热两天，然后再将此籽晶取出放入新的钙钛矿溶液中，继续加热，这样重复生长，直至单晶不再长大。这种方法制备的单晶形状规整，尺寸较大，但是原料消耗很多，比较浪费原料。2015年，O.M.Bakr团队使用二氯甲烷(DCM)作为反溶剂，利用反溶剂扩散辅助结晶法获得了表面光滑无裂纹的高质量大尺寸MAPbX₃单晶。反溶剂扩散辅助结晶法相比逆温生长法可以或得更多更大的晶体，然而由于引入反溶剂，反溶剂在溶剂里扩散不均匀导致成核点过多，无法可控生长合适的单晶。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种温差定位诱导钙钛矿单晶的可控生长方法，基于溶液法，利用温差定位诱导，能够可控地在溶液指定位置成核，生长出高质量的钙钛矿单晶，该方法操作方便，所用原料成本低廉。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种温差定位诱导钙钛矿单晶的可控生长方法，通过在加热板上放置一块耐热、导热系数低、传热慢的基板，且基板中间镶嵌相对于基板具有更高导热系数、传热更快的金属材料，利用金属材料与基板导热系数不同和传热差异，使金属材料与基板界面附近形成局部的特定温差区域，通过提高特定温差区域的温度，在特定温差区域定位诱导有机-无机杂化钙钛矿单晶成核，实现有机-无机杂化钙钛矿单晶的可控生长。

优选地，本发明温差定位诱导钙钛矿单晶的可控生长方法，包括以下步骤：

(a)MAX粉末的制备：