焦点热文：通过反溶剂喷墨打印直接生长和图案化单晶钙钛矿

2023-03-23 12:14:30来源：哔哩哔哩

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香港城市大学何志浩和台湾大学廖英志教授团队使用MicroFab纳米材料沉积喷墨打印系统Jetlab 4，建立了一种双喷头喷墨打印方法，将钙钛矿前体和反溶剂直接混合用于钙钛矿单晶图案。边缘沉积策略用于最小化液滴之间的接触面积，并且可以有效地控制晶体生长的成核位置。晶粒尺寸达500μm的单晶可在10分钟内快速生产，无需衬底预处理或复杂的温度控制。

介绍

有机-无机混合卤化物钙钛矿由于其广泛的吸收范围、优异的载流子长距离传输和超荧光而成为最受研究的材料之一，因此已广泛用于各种光电应用，如太阳能电池、光电探测器、晶体管、激光、发光二极管、和显示器设备。通过向饱和钙钛矿溶液中加入可混溶的反溶剂，可以有效降低溶质溶解度，并导致快速沉淀或快速结晶。为了生长单晶，有必要开发一种具有可调节打印参数的方法，以控制钙钛矿前体液滴上反溶剂的碰撞动力学中的成核条件。如图1所示。

香港城市大学何志浩和台湾大学廖英志教授团队建立了一种双喷头抗溶剂喷墨打印方法，以控制钙钛矿单晶形成的成核位置。通过在固着前体液滴边缘打印反溶剂液滴，在精确位置快速制备单晶。如图2所示。

除了成核位置控制外，可控的晶体生长动力学对单晶形成也至关重要。为了进一步研究钙钛矿单晶的晶体成核和生长过程，本文使用LaMer图来区分结晶过程。结晶过程通常可分为三个区域：成核、生长和平衡。由图3可知，由于反溶剂引起的高过饱和度，晶体生长也比传统蒸发方法快得多。过饱和晶体沉积方法的生长指数接近2，这意味着理想的大晶体生长，几乎没有缺陷。当前驱体体积增加到100nL时，可以产生最大500μm的晶体尺寸。因此，通过这种抗溶剂喷墨印刷方法可以有效地生产单晶钙钛矿。除了晶体尺寸控制，双喷嘴抗溶剂喷墨打印方法还通过调整喷墨打印参数，为晶体生长方向、沉积位置和图案形成提供了灵活性，而无需漫长的光刻和蚀刻工艺。

喷墨打印技术在特定方向上提供了可控的晶体生长过程，而不使用温度梯度或空间限制，例如沉积的液体量或喷嘴打印速度。双喷嘴喷墨打印方法也是创建具有可控晶粒尺寸的设计图案的良好打印工具。如图4a所示，除了二维图案，还可以创建三维几何图形。由MAPbBr3晶体柱组成的柱状阵列的直径为～500μm，与文献中的直径相比要大得多。

结论

香港城市大学何志浩和台湾大学廖英志教授团队使用MicroFab纳米材料沉积喷墨打印系统Jetlab 4，建立了一种双喷头喷墨打印方法，以精确控制单晶钙钛矿的生长方向和图案。为了最小化接触面积，将抗溶剂液滴滴在前体固着液滴的边缘，形成单个成核位点，生成的核可以在没有任何衬底的情况下生长成500μm的单晶；用反溶剂方法生长的晶体具有理想的生长过程，生长速度更快。研究结果显示出直接打印单晶钙钛矿图案的能力，并展示了反溶剂喷墨打印方法用于电子和光电子器件制造的的可能性。

参考文献：

[1] Shiuan-Ying Peng, Kai-Wen Chuang, Jr-Hau He, and Ying-Chih Liao, Direct Growth and Patterning of Single-Crystal Perovskites via Antisolvent Inkjet Printing[J]. ACS Applied Electronic Materials 2022 4 (11), 5468-5474.

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