應(yīng)用案例 | 太陽能薄膜電池基礎(chǔ)材料鈣鈦礦的單晶制備

時(shí)間：2025/2/14閱讀：102

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(kuò)散距離長等優(yōu)勢(shì)，在光電探測(cè)、太陽能電池等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是下一代杰出的光電探測(cè)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(kuò)散法和逆溫結(jié)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(dāng)坩堝在爐內(nèi)由上往下緩緩下降到溫度梯度區(qū)時(shí)，原料熔體就開始緩慢結(jié)晶。目前，VB 是生長中低熔點(diǎn)氧化物及鹵化物閃爍、壓電晶體、氟化物等光學(xué)晶體的主要方法。如鈮鎂鈦酸鉛和鈮鋅鈦酸鉛、光學(xué)晶體氟化鈣等均采用VB生長得到。

反溶液擴(kuò)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(kuò)散的方式來調(diào)節(jié)前驅(qū)體的溶解度，進(jìn)而達(dá)到結(jié)晶的目的。

逆溫結(jié)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(jī)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(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。本文引用曾在人工晶體學(xué)報(bào)中發(fā)表的題為《零維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Cs3Cu2Br5單晶的生長和X射線探測(cè)性能》一文，作為該方法應(yīng)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(jī)零維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Cs3Cu2Br5單晶。具體的實(shí)驗(yàn)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(jié)束后，將溫度降至熔點(diǎn)( 約360 ℃) 附近，啟動(dòng)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(jié)束后，關(guān)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(xué)吸收、光致激發(fā)和發(fā)射，時(shí)間分辨光致發(fā)光和以及X射線探測(cè)性能。

測(cè)試得到的XRD 衍射峰與文獻(xiàn)報(bào)道的Cs3 Cu2 Br5數(shù)據(jù)一致。

晶體結(jié)構(gòu)示意圖

卡博萊特蓋羅 - 布里奇曼晶體生長爐

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