哈工大基于自上而下印刷技术的可复制型有机金属卤化物钙钛矿微型器件

哈工大：基于自上而下印刷技术的可复制型有机金属卤化物钙钛矿微型器件

哈工大（深圳）宋清海课题组研究了一种自上而下的半导体加工工艺，可以高效地重复制备基于有机金属卤化物钙钛矿材料的光电器件。该工艺有望克服卤化铅钙钛矿器件大规模制造和实际应用中的最大障碍，有巨大的应用潜力。

近几年，卤化铅钙钛矿由于具有极高的吸收系数，引起了广泛的关注。这一材料成为高性能、低成本太阳能电池的新宠。仅仅五年内，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率就从3%提高到了22%以上。这一突破性的进展，驱使着研究人员将卤化铅钙钛矿应用于新的领域中，例如LED、光电探测器、激光器等。作为光源而言，在钙钛矿薄膜、多边形微腔、微米和纳米线中，这一材料已经展现出了激光和放大式自发辐射。更有趣的是，这种自发辐射的激光和光源十分稳定，并且颜色是可以调谐的。他们的外量子效率甚至可以达到100%。但综合条件下，钙钛矿在光电器件方面的应用还并不成熟，对于基于钙钛矿这一材料的器件研究还有很长的一段路要走。

图1 钙钛矿高灵敏度光电探测器成果展示图

事实上，迄今为止，对于卤化铅钙钛矿这种材料还没有一个有效且标准化的制备工艺。多数情况下，合成出的钙钛矿微米片或者微米线都有一个随机的尺寸分布，在这样的工艺下，很难重复性地制备出相同的微型激光器，使它们针对某些特定的应用具有预先设置的波长或者出射方向。同样的问题也会束缚这一材料在太阳能电池和光电探测器中的应用，尤其是对于集成系统而言。综上，针对卤化铅钙钛矿设备研究出一种成熟且标准化的半导体加工工艺就显得至关重要，因为这是大规模制造和实际应用中最大的障碍。

图2 基于自上而下半导体制备工艺制备的有机卤化铅钙钛矿结构图案

图3 有机卤化铅钙钛矿圆形微盘的激光性质和变形微腔的单向出射

为了克服这一障碍，哈工大（深圳）宋清海课题组研究了一种自上而下的半导体加工工艺，可以高效地重复制备基于有机金属卤化物钙钛矿材料的光电器件，该工作发表在 Advanced Materials [29(15) , 1606205 (2017) ] 上。研究团队通过电子束光刻制备掩膜，然后通过感应耦合等离子体刻蚀，将掩膜图案复制到单晶钙钛矿微米片上，一些通过直接合成很难制备出的结构，例如纯圆微腔、变形腔、五角星、大卫星等结构，就可以通过这种制备方法得到。

随后的光学表征证明了这种新型的制备技术同样可以用于制备一些品质因子高的高质量光电器件，例如微腔激光器。通过测量证明，利用该技术制备的钙钛矿微盘激光器，其阈值处的半峰全宽（FWHM）低至0.11 nm，对应的品质因子高于5000以上。这一品质因子可以和目前记录的直接合成的钙钛矿纳米线最高品质因子相比拟。

为了证明这一制备技术的精确度，研究者制备了一批统一规格的微盘激光器，测量得到完全相同的激光波长和模式间隔，进一步确定了新型制备工艺的可重复性，精度可以控制在几个纳米以内。通过该工艺制备的器件，其一系列特殊的性能，例如单向激光出射和破记录的最高品质因子相继被成功地研制出。

此外，研究者利用这一制备技术，成功地将钙钛矿材料应用于生产光电探测器中。其设计原理是利用纳米工程结构，将在自由空间传输的波转化为波导模式，从而极大地提高了光电探测器的开关性能和探测灵敏度。这些性能的提高充分表明了该技术工艺在制备卤化铅钙钛矿光电探测设备方面的应用前景。

图4 本文工艺制备的一维光栅耦合器有机卤化铅钙钛矿光电探测器及其光电探测性能

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