應用案例 | 太陽能薄膜電池基礎材料鈣鈦礦的單晶制備

時間：2025/2/14閱讀：103

金屬鹵基鈣鈦礦單晶以其優(yōu)異的光電性能，如帶隙可調(diào)、窄帶、載流子擴散距離長等優(yōu)勢，在光電探測、太陽能電池等領域具有良好的應用前景，被認為是下一代杰出的光電探測材料。

鈣鈦礦單晶生長方法

鈣鈦礦單晶生長法常用的垂直布里奇曼法（vertical Bridgman method，VB) 也叫坩堝下降法、反溶劑擴散法和逆溫結晶法(inversion crystallization method，ITC)。

垂直布里奇曼法（vertical Bridgman method，VB) 也叫坩堝下降法，是一種熔體生長晶體的方法。其原理為將盛滿原料的坩堝置放在豎直的爐內(nèi)，爐膛分上中下3部分，中間以隔熱板隔開，上部高溫區(qū)溫度較高，能使坩堝內(nèi)的原料維持熔融狀態(tài)，中間部位溫度梯度較大，通常為10～30 ℃/cm，下部低溫區(qū)則溫度較低。當坩堝在爐內(nèi)由上往下緩緩下降到溫度梯度區(qū)時，原料熔體就開始緩慢結晶。目前，VB 是生長中低熔點氧化物及鹵化物閃爍、壓電晶體、氟化物等光學晶體的主要方法。如鈮鎂鈦酸鉛和鈮鋅鈦酸鉛、光學晶體氟化鈣等均采用VB生長得到。

反溶液擴散法是一種低溫溶液生長晶體的方法，其原理主要是通過鹵化物鈣鈦礦材料在不同溶劑中溶解度的差異，采用溶劑擴散的方式來調(diào)節(jié)前驅(qū)體的溶解度，進而達到結晶的目的。

逆溫結晶法是生長鹵化物鈣鈦礦的一種非常規(guī)的晶體生長方法，其主要原理是采用了逆溫溶解機制，指的是鹵化物鈣鈦礦材料的溶解度隨著溫度的升高而降低。

布里奇曼法制備鈣鈦礦案例

布里奇曼法作為一種重要的鈣鈦礦單晶制備方法，在科研領域有著廣泛應用。本文引用曾在人工晶體學報中發(fā)表的題為《零維鈣鈦礦結構Cs3Cu2Br5單晶的生長和X射線探測性能》一文，作為該方法應用的案例。

原文中，作者采用里奇曼坩堝下降法生長出全無機零維鈣鈦礦結構Cs3Cu2Br5單晶。具體的實驗步驟為：將高純的鹵化物超干粉末CsBr( ≥99.99%) 和CuBr( ≥99.99%) 以3∶2的摩爾比稱量并混合均勻，再裝入直徑7mm的石英坩堝中。將坩堝內(nèi)部的真空度抽至小于10Pa后，利用等離子焊封裝置封口。將焊封好的石英坩堝置于坩堝下降晶體生長爐中，由室溫升溫至600 ℃后保溫24h，使原料熔融并充分混合。保溫階段結束后，將溫度降至熔點( 約360 ℃) 附近，啟動下降程序。晶體生長速率為0.4 mm/h，溫度梯度約為20 ℃ /cm。生長結束后，關閉下降程序，以10 ℃ /h 的速率降至室溫。經(jīng)過上述操作，作者采用布里奇曼坩堝下降法生長出高質(zhì)量Cs3Cu2Br5單晶，并研究了Cs3Cu2Br5的光學吸收、光致激發(fā)和發(fā)射，時間分辨光致發(fā)光和以及X射線探測性能。

測試得到的XRD 衍射峰與文獻報道的Cs3 Cu2 Br5數(shù)據(jù)一致。

晶體結構示意圖

卡博萊特蓋羅 - 布里奇曼晶體生長爐

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