Universal Synthesis of Large-Area Hybrid Perovskite Monolayers Enabling Lithography-Free, Low-Static-Power Optoelectronics
本文提出了一种通用的立体工程三元溶剂策略，该策略克服了传统的生长限制，用于合成大面积单层杂化钙钛矿，从而能够制造出具有超低静态功耗的无光刻光电器件。
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在现代电子产品的世界中，那些捕捉光线并将其转化为电能的材料通常是厚重、笨拙且难以成型的。多年来，科学家们一直被一种被称为杂化钙钛矿（hybrid perovskites）的特定晶体家族所吸引，因为它们在处理光和电方面表现得异常出色。这些材料的结构就像三明治一样：金属原子层和盐原子层被有机分子层隔开。当这些晶体被做成极薄的单层原子片时，它们会表现出迷人的新特性，为开发极其高效且灵敏的电子设备提供了潜力。然而，制造这种单层片材一直是一个持久的难题。在液体溶液中，这些晶体倾向于向上生长，堆叠成厚重且杂乱的堆积物，而不是展开成平坦、宽阔的薄片。此外，当研究人员试图将这些微小的薄片切割成特定的形状以制造器件时，切割过程中使用的化学物质往往会溶解或损坏这种脆弱的材料，从而毁掉研究成果。
来自澳大利亚莫纳什大学（Monash University）和皇家墨尔本理工大学（RMIT University）的一个研究小组发现了一种同时解决这两个问题的方法。他们开发出一种新方法，可以直接从液体溶液中生长出广阔、平坦的单层晶体片，并证明了这些大面积薄片可以在不使用任何苛刻化学物质的情况下转化为工作的电子器件。他们成功的关键在于对用于生长晶体的液体混合物进行了巧妙的调整。通过在溶液中加入特定类型的醇类和一种长链胺分子，他们能够温和地引导晶体向侧向展开，而不是向上堆叠。这种技术使他们能够创造出表面积比以往标准方法所能实现的还要大一千倍以上的材料薄片。由于这些薄片面积如此之大，研究人员可以使用简单的物理掩模（就像使用模板进行喷漆一样）在上面放置金属接触点，从而完全避免了通常会破坏这些材料的有害化学溶剂。
研究人员使用一种由铜、氯和有机分子组成的模型材料测试了这种方法，并发现所添加的醇类分子的尺寸和形状会产生巨大影响。较短的醇类分子有助于晶体形成，但较长的链（特别是具有四个碳原子的链）最为有效。这些长链起到了保护屏障的作用，防止晶体聚集并堆叠在一起。同时，它们有助于组织液体中的晶体构建块，使它们更倾向于附着在生长薄片的边缘，从而使薄片变得越来越宽。研究人员还发现，这些较长醇类的蒸发速率较慢，使得液态环境能够长时间保持活跃，从而给晶体留出了更多时间在液体干涸前生长变大。这一过程并不局限于仅一种材料；团队成功地使用同样的方法，利用不同的金属（如铅和锰）以及不同的有机分子，生长出了大面积、薄层的薄片，证明了他们的技术是制造这类材料的一种通用工具。
为了证明这些大面积、洁净的薄片确实可以用于实际器件，该团队使用一种基于铅的材料版本构建了简单的电子通道。由于薄片面积很大，他们可以在不让晶体接触到通常在此步骤所需的苛刻化学物质的情况下，在上面放置金电极。结果令人瞩目。由这些纯净的单层薄片制成的器件具有极低的背景电流（即暗电流）水平，即在没有光照时流动的电流。与使用旧方法生长的较小、较厚的碎片制成的器件相比，这种背景噪声降低了250倍。从实际意义上讲，这意味着新器件在闲置时几乎不消耗能量，仅使用极小的皮瓦（picowatt）级能量。当光线照射到这些器件时，它们会做出强烈响应，保持极高的信噪比。这一成就表明，现在有可能制造出新一代超低功耗的电子传感器和检测器，它们既高度灵敏又极其节能，为由于材料本身限制而此前无法实现的应用打开了大门。
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