研究背景
卤化物钙钛矿因其独特的光电性能，成为半导体材料领域的关键材料之一，其能够以较低成本全面覆盖Rec.2020显示色域的要求，是实现高色纯度显示的理想发光材料。为实现高分辨率、高均匀性与高可靠性的显示效果，需在卤化物钙钛矿单晶表面构建精细的图案化结构。因此，钙钛矿图案化技术对于将其发光器件集成至显示面板具有重要意义。然而，现有的大多数技术仅适用于多晶或量子点材料，这限制了单晶优异性能与图案化结构的有效结合。早期的研究尝试采用聚焦离子束直接刻蚀钙钛矿单晶实现复杂图案，但即便降低离子束剂量，高能离子仍会破坏钙钛矿晶格结构，引发缺陷或无定形相产生。近年来，虽然单晶图案化技术取得了一定进展，但仍面临制备过程中会对晶体造成损伤以及成本较高等挑战。因此，亟需开发一种能够有效降低图案化过程对钙钛矿单晶的损伤，同时兼顾成本效益的快速制造技术。
研究内容：
针对上述挑战，中山大学先进能源学院邹贵付教授团队在期刊 ACS Nano 上发表题为“A Top-Down Polymer Collaborative Manufacturing of Perovskite Single Crystal Film Patterns”的相关研究成果。该研究提出了一种针对卤化物钙钛矿单晶薄膜的生长-图案化协同制备策略（图1）。该方法通过在晶体生长过程中引入含极性官能团的聚合物，利用其空间位阻效应降低单晶成核密度、延缓结晶速率，并借助极性官能团抑制钙钛矿表面缺陷，提升晶体质量。在此基础上，研究团队成功制备出厘米级尺寸（约200 mm2）和高纵横比（10000）的钙钛矿单晶薄膜，为后续图案化阵列制造奠定了基础。研究团队通过基于电子定位函数的密度泛函理论计算，揭示了钙钛矿与聚合物之间的相互作用机制。有限元模拟结果表明在图案化过程中，无聚合物保护时，单晶薄膜上的界面最大剪应力高达845 MPa；而在聚合物保护下，最大剪应力降至275 MPa，有效缓解了应力集中问题。该策略不仅实现了卤化物钙钛矿单晶薄膜的大面积制备，还推动了蓝色发光阵列的快速、低成本制造。
该研究成功实现了高质量卤化物钙钛矿单晶薄膜与优异图案化结构的结合，推动了钙钛矿发光器件的微型化进程，为超高分辨率与全彩显示技术的实际应用提供了新路径。
图1 卤化物钙钛矿单晶薄膜的生长机理及阵列化示意图
全文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c09059
项目支持
该研究工作得到国家自然科学基金（52325309、22488101、22405040）、国家重点研发计划（2024YFA1509300）、江苏省自然科学基金（BK20241267）、广东省高等学校功能分子工程基础研究卓越中心、中山大学绿色化学与分子工程研究所、姑苏创新创业领军人才计划（ZXL2024383）、江苏省优秀博士后人才资助计划（2024ZB334）、中国博士后研究人员资助计划（GZC20240248）、江苏省先进光学制造技术重点实验室、教育部现代光学技术重点实验室的支持。
作者链接
https://ae.sysu.edu.cn/teacher/ZouGuifu
https://www.x-mol.com/groups/Zou_Guifu
参考消息来源：中山大学先进能源学院
