近日，來(lái)自比利時(shí)根特大學(xué)鄧玉豪博士，分析了長(zhǎng)程有序量子點(diǎn)鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)機(jī)理，指出其生長(zhǎng)機(jī)理并非是現(xiàn)在普遍認(rèn)為的異質(zhì)外延，而是定向附著。并且指出這一新機(jī)理的提出，可以將定向附著用于構(gòu)建晶格完美匹配的層狀量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)，從而解決這一領(lǐng)域的世紀(jì)難題。該工作以“Long-range ordered quantum dots in perovskite solids enabled by oriented attachment”為題，于近期發(fā)表在Cell出版社知名材料學(xué)期刊Matter雜志上。論文鏈接 https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(24)00198-X
背景：長(zhǎng)程有序量子點(diǎn)鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)
量子點(diǎn)鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)材料，因量子點(diǎn)與鈣鈦礦材料之間匹配的晶格常數(shù)，從而使得界面具有完美晶格匹配的無(wú)缺陷結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生高效的載流子遷移，以及其簡(jiǎn)單和低成本的膠體和溶液的制備方法，在高等光電子學(xué)領(lǐng)域具有很大的潛力。但是對(duì)于量子點(diǎn)是如何生長(zhǎng)進(jìn)入鈣鈦礦塊材并且形成長(zhǎng)程有序的結(jié)構(gòu) （圖1A），迄今為止并沒(méi)有詳細(xì)的研究，現(xiàn)在大家都簡(jiǎn)單將生長(zhǎng)機(jī)理其歸結(jié)為異質(zhì)外延。異質(zhì)外延機(jī)理與長(zhǎng)程有序量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間的矛盾如圖1B所示，鈣鈦礦基于量子點(diǎn)為核的異質(zhì)外延，只可能產(chǎn)生單個(gè)量子點(diǎn)的鈣鈦礦量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)晶粒，這些晶粒互相無(wú)序堆積，產(chǎn)生如圖1C所示的多晶薄膜，并且每一個(gè)晶粒里面只會(huì)具有一個(gè)量子點(diǎn)，而不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)。但是事實(shí)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)晶粒里面具備多個(gè)量子點(diǎn)，并且這些量子點(diǎn)是長(zhǎng)程有序的，即晶格與鈣鈦礦完美匹配，并且量子點(diǎn)的晶格取向都完全一致。異質(zhì)外延生長(zhǎng)機(jī)理并無(wú)法解釋這種結(jié)構(gòu)且構(gòu)成了矛盾，那么如何解釋這個(gè)矛盾，真實(shí)的生長(zhǎng)機(jī)理到底是什么呢？ 定向附著，產(chǎn)生長(zhǎng)程有序的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)通過(guò)分析，只有定向附著可以是這種長(zhǎng)程有序的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。定向附著作為一種普遍性的生長(zhǎng)機(jī)理，已經(jīng)被廣泛被發(fā)現(xiàn)并且用于構(gòu)建零維，一維以及多維的納米結(jié)構(gòu)。如圖1D所示，量子點(diǎn)先通過(guò)定向附著與鈣鈦礦表面形成晶格匹配的異質(zhì)結(jié)，然后鈣鈦礦再進(jìn)行外延生長(zhǎng)包覆量子點(diǎn)，從而形成量子點(diǎn)的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。另外一種定向附著途徑如圖1E所示，鈣鈦礦先在量子點(diǎn)表面形成核殼結(jié)構(gòu)，這種核殼結(jié)構(gòu)再進(jìn)行定向附著在鈣鈦礦表面，從而形成了長(zhǎng)程有序的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
此發(fā)現(xiàn)的重要性：用于構(gòu)建晶格匹配的層狀量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)-解決領(lǐng)域的世紀(jì)難題
這種量子點(diǎn)與半導(dǎo)體材料（鈣鈦礦）之間的定向附著機(jī)理，可以用于構(gòu)建晶格匹配的層狀量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)。眾所周知，層狀量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)已經(jīng)在集成發(fā)光以及光伏器件取得重要應(yīng)用，但是迄今為止高質(zhì)量的量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)都是基于真空外延的Stranski-Krastanow (SK) 模式，SK模式是基于晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，在生長(zhǎng)過(guò)程中應(yīng)力釋放形成孤島(量子點(diǎn))結(jié)構(gòu)，但是基于SK生長(zhǎng)機(jī)理形成的浸潤(rùn)層會(huì)導(dǎo)致載流子泄漏，異質(zhì)結(jié)的晶格不匹配會(huì)影響載流子的傳輸效率，以及器件的穩(wěn)定性，并且無(wú)法兼容量子點(diǎn)粒徑的均勻性和可調(diào)性。理想的量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)應(yīng)該是具有完美晶格匹配的異質(zhì)結(jié)，然而晶格匹配的兩種材料生長(zhǎng)模式是層狀生長(zhǎng)Frank-Vander Merwe (FM)模式，不會(huì)形成量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。于是基于異質(zhì)外延的量子點(diǎn)生長(zhǎng)機(jī)理就存在根本矛盾：晶格失配應(yīng)力誘導(dǎo)機(jī)制與晶格失配性能問(wèn)題之間的矛盾。并且這一內(nèi)在矛盾是本質(zhì)性的，無(wú)法在自身范疇被解決。自從1937年SK模式被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，這一內(nèi)在矛盾已經(jīng)困擾我們長(zhǎng)達(dá)近一個(gè)世紀(jì)之久，已經(jīng)成為這一領(lǐng)域的世紀(jì)難題。通過(guò)定向附著機(jī)理的引入，使得構(gòu)建晶格匹配的層狀量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)成為可能，可望解決這一世紀(jì)難題，通過(guò)這一機(jī)理生長(zhǎng)的層狀量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)將不會(huì)存在浸潤(rùn)層，并且晶格完美匹配，且量子點(diǎn)粒徑非常均勻且可調(diào)，并且膠體與溶液方法也可克服了真空外延生長(zhǎng)的流程復(fù)雜與高成本的問(wèn)題。 本文通過(guò)對(duì)在鈣鈦礦量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)中，量子點(diǎn)的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的分析，指出定向附著才是長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，而不是現(xiàn)在大家普遍認(rèn)為的異質(zhì)外延。這一發(fā)現(xiàn)可將定向附著機(jī)理引入到晶格匹配層狀量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)的生長(zhǎng)中，從而使得構(gòu)建晶格完美匹配的層狀量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)成為了可能，為解決這一量子點(diǎn)半導(dǎo)體領(lǐng)域的百年難題提供了方法。根特大學(xué)鄧玉豪博士為文章的第一作者兼通訊作者，本文所有工作由鄧玉豪博士獨(dú)立完成。 文獻(xiàn)信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.04.025論文PDF文檔鏈接：https://biblio.ugent.be/publication/01HZMGNTXN2VPQ9D1HHDE8HXZY
