Published July 20, 2020 | Version v1
Publication Open

Growth of centimeter-scale perovskite single-crystalline thin film via surface engineering

  • 1. Peking University

Description

Abstract Modern electronic and photonic devices rely on single-crystalline thin film semiconductors for high performance and reproducibility. The emerging halide perovskites have extraordinary electronic and photonic properties and can be synthesized via low cost solution-based methods. They have been used in a variety of devices with performance approaching or over the devices based on conventional materials. However, their solution based growth method is intrinsically challenge to grow large scale single-crystalline thin film due to the random nucleation and isotropous growth of the crystal. Here, we report the growth of centimeter-scale perovskite single-crystalline thin films by controlling the nucleation density and growth rate of the crystal under a spatially confined growth condition. The hydrophobic treatment on substrates inhibits nucleation and accelerates the growth of single-crystalline thin film, providing enough space for initial nucleus growing up quickly without touching each other. Single-crystalline perovskite thin-film with an aspect ratio of 1000 (1 cm in side length, 10 μm in thickness) has been successfully grown. The low trap density and the high mobility of the as-grown thin film show a high crystallinity. The photodetector based on the perovskite thin film has achieved a gain ~ 10 4 , benefitting from the short transit time of the carries due to the high mobility and thin thickness of the active layer. Our work opens up a new route to grow large scale perovskite single-crystalline thin films, providing a platform to develop high- performance devices.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص تعتمد الأجهزة الإلكترونية والفوتونية الحديثة على أشباه الموصلات أحادية الغشاء الرقيق أحادية البلورة للحصول على أداء عالي وقابلية لإعادة الإنتاج. تتميز بيروفسكايت الهاليد الناشئة بخصائص إلكترونية وفوتونية غير عادية ويمكن تصنيعها عبر طرق منخفضة التكلفة قائمة على المحلول. تم استخدامها في مجموعة متنوعة من الأجهزة مع اقتراب الأداء أو عبر الأجهزة بناءً على المواد التقليدية. ومع ذلك، فإن طريقة نموها القائمة على الحل تمثل تحديًا جوهريًا لزراعة غشاء رقيق أحادي البلورة واسع النطاق بسبب التنوي العشوائي والنمو المتساوي الخواص للبلورة. هنا، نبلغ عن نمو أغشية البيروفسكايت الرقيقة أحادية البلورة على مقياس السنتيمتر من خلال التحكم في كثافة النواة ومعدل نمو البلورة في ظل حالة نمو محصورة مكانيًا. تعمل المعالجة غير الآلفة للماء على الركائز على تثبيط النواة وتسريع نمو الغشاء الرقيق أحادي البلورة، مما يوفر مساحة كافية لنواة أولية تنمو بسرعة دون لمس بعضها البعض. تمت زراعة غشاء البيروفسكايت الرقيق أحادي البلورة بنسبة عرض إلى ارتفاع 1000 (1 سم في الطول الجانبي، 10 ميكرومتر في السماكة) بنجاح. تُظهر كثافة المصيدة المنخفضة والتنقل العالي للغشاء الرقيق المزروع بلورة عالية. حقق الكاشف الضوئي القائم على طبقة البيروفسكايت الرقيقة كسبًا ~ 104 ، مستفيدًا من وقت العبور القصير للحمل بسبب الحركة العالية والسماكة الرقيقة للطبقة النشطة. يفتح عملنا طريقًا جديدًا لزراعة أغشية رقيقة أحادية البلورة من البيروفسكايت على نطاق واسع، مما يوفر منصة لتطوير أجهزة عالية الأداء.

Translated Description (French)

Résumé Les dispositifs électroniques et photoniques modernes reposent sur des semi-conducteurs monocristallins à couches minces pour des performances et une reproductibilité élevées. Les pérovskites d'halogénure émergentes ont des propriétés électroniques et photoniques extraordinaires et peuvent être synthétisées par des méthodes à base de solutions à faible coût. Ils ont été utilisés dans une variété d'appareils avec des performances proches ou supérieures aux appareils basés sur des matériaux conventionnels. Cependant, leur méthode de croissance basée sur une solution est intrinsèquement difficile pour faire croître un film mince monocristallin à grande échelle en raison de la nucléation aléatoire et de la croissance isotrope du cristal. Ici, nous rapportons la croissance de couches minces monocristallines de pérovskite à l'échelle du centimètre en contrôlant la densité de nucléation et la vitesse de croissance du cristal dans des conditions de croissance confinées dans l'espace. Le traitement hydrophobe sur les substrats inhibe la nucléation et accélère la croissance du film mince monocristallin, offrant suffisamment d'espace pour que le noyau initial grandisse rapidement sans se toucher. Le film mince de pérovskite monocristalline avec un rapport d'aspect de 1000 (1 cm de côté, 10 μm d'épaisseur) a été cultivé avec succès. La faible densité de piégeage et la grande mobilité du film mince au fur et à mesure de sa croissance montrent une cristallinité élevée. Le photodétecteur basé sur le film mince de pérovskite a réalisé un gain ~ 10 4 , bénéficiant du court temps de transit des portages en raison de la grande mobilité et de l'épaisseur mince de la couche active. Notre travail ouvre une nouvelle voie pour cultiver des films minces monocristallins de pérovskite à grande échelle, fournissant une plate-forme pour développer des dispositifs haute performance.

Translated Description (Spanish)

Resumen Los dispositivos electrónicos y fotónicos modernos se basan en semiconductores de película delgada monocristalinos para un alto rendimiento y reproducibilidad. Las perovskitas de haluro emergentes tienen propiedades electrónicas y fotónicas extraordinarias y se pueden sintetizar a través de métodos basados en soluciones de bajo costo. Se han utilizado en una variedad de dispositivos con un rendimiento cercano o superior a los dispositivos basados en materiales convencionales. Sin embargo, su método de crecimiento basado en soluciones es intrínsecamente un desafío para hacer crecer una película delgada monocristalina a gran escala debido a la nucleación aleatoria y el crecimiento isótropo del cristal. Aquí, informamos el crecimiento de películas delgadas monocristalinas de perovskita a escala de centímetros controlando la densidad de nucleación y la tasa de crecimiento del cristal en una condición de crecimiento espacialmente confinada. El tratamiento hidrófobo en los sustratos inhibe la nucleación y acelera el crecimiento de una película delgada monocristalina, proporcionando suficiente espacio para que el núcleo inicial crezca rápidamente sin tocarse entre sí. La película delgada de perovskita monocristalina con una relación de aspecto de 1000 (1 cm de longitud lateral, 10 μm de espesor) se ha cultivado con éxito. La baja densidad de la trampa y la alta movilidad de la película delgada a medida que crece muestran una alta cristalinidad. El fotodetector basado en la película delgada de perovskita ha logrado una ganancia de ~ 10 4 , beneficiándose del corto tiempo de tránsito de los acarreos debido a la alta movilidad y el delgado espesor de la capa activa. Nuestro trabajo abre una nueva ruta para cultivar películas delgadas monocristalinas de perovskita a gran escala, proporcionando una plataforma para desarrollar dispositivos de alto rendimiento.

Files

s40580-020-00236-5.pdf

Files (1.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9b0190d593ed526b848e493992a3122e
1.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نمو طبقة رقيقة أحادية البلورة من البيروفسكايت بمقياس السنتيمتر عبر هندسة السطح
Translated title (French)
Croissance d'un film mince monocristallin de pérovskite à l'échelle centimétrique par ingénierie de surface
Translated title (Spanish)
Crecimiento de película delgada monocristalina de perovskita a escala de centímetros mediante ingeniería de superficies

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3042808284
DOI
10.1186/s40580-020-00236-5

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1082253719
  • https://openalex.org/W1443040875
  • https://openalex.org/W1517556801
  • https://openalex.org/W1553661931
  • https://openalex.org/W1629273100
  • https://openalex.org/W1965464747
  • https://openalex.org/W1966368446
  • https://openalex.org/W1998670932
  • https://openalex.org/W1999717631
  • https://openalex.org/W2006304022
  • https://openalex.org/W2006619554
  • https://openalex.org/W2011472471
  • https://openalex.org/W2032812586
  • https://openalex.org/W2042638609
  • https://openalex.org/W2048126614
  • https://openalex.org/W2057327293
  • https://openalex.org/W2067995252
  • https://openalex.org/W2091471276
  • https://openalex.org/W2130457461
  • https://openalex.org/W2141021363
  • https://openalex.org/W2143338675
  • https://openalex.org/W2158561788
  • https://openalex.org/W2169328609
  • https://openalex.org/W2179924907
  • https://openalex.org/W2259658805
  • https://openalex.org/W2275426597
  • https://openalex.org/W2278437460
  • https://openalex.org/W2292422154
  • https://openalex.org/W2329327243
  • https://openalex.org/W2337115326
  • https://openalex.org/W2342802384
  • https://openalex.org/W2396261957
  • https://openalex.org/W2410619939
  • https://openalex.org/W2413003999
  • https://openalex.org/W2424301850
  • https://openalex.org/W2465228423
  • https://openalex.org/W2468151551
  • https://openalex.org/W2475171412
  • https://openalex.org/W2507133829
  • https://openalex.org/W2510444334
  • https://openalex.org/W2522833408
  • https://openalex.org/W2540011541
  • https://openalex.org/W2554915854
  • https://openalex.org/W2560373862
  • https://openalex.org/W2580498825
  • https://openalex.org/W2587733592
  • https://openalex.org/W2589687239
  • https://openalex.org/W2598143478
  • https://openalex.org/W2605741605
  • https://openalex.org/W2607208374
  • https://openalex.org/W2724648670
  • https://openalex.org/W2745625487
  • https://openalex.org/W2771033947
  • https://openalex.org/W2783600645
  • https://openalex.org/W2893976562
  • https://openalex.org/W2948375065
  • https://openalex.org/W4241225965