登陆

旋涂外延膜:这篇Science我等了两年

admin 2019-05-15 291人围观 ,发现0个评论

本文来自微信大众号:X-MOLNews

最近,大热美剧《权利的游戏》终究季总算在万千粉丝的等候中开播。好剧值得等候,好论文也是相同。这不,前两天小希看文献的时分,看到一篇仅有四词标题的Science文章“Spin coating epitaxial films”(记住哪位大牛说过,标题越短,论文或许就越有料),再细心看看通讯作者——美国密苏里科技大学Jay A. Switzer教授,了解的作者、似曾相识的标题,莫不是那项作业?



Science文章截图

两年前,仍是Science 杂志,Switzer教授团队也曾宣布过一篇文章,他们以单晶硅为模板,经过外延剥离法制备了适用于柔性电子器件的单晶金箔 [1]。这一作业,至今还挂在Switzer课题组网站的主页上 [2]。其时小希还写过一篇谈论(一层金箔,一篇Science),“Jay Switzer教授称,该发现是一个‘美好的意外’,他们在探索一种廉价的单晶制备办法时,偶尔发现了这一进程”。小希其时就很猎奇,这项Science论文都只是副产物的“廉价的单晶制备办法”,究竟是什么样的黑科技?



单晶金箔的外延剥离示意图。图片来历:Switzer课题组[2]

读完Switzer教授团队这篇让小希等了两年的高文,觉得有种“总算满意”的感觉,酝酿多时的这种廉价单晶制备办法,真的是一项令人赞赏的作业!



Meagan Kelso(本文一作,左二)、Jay Switzer教授(右三)与课题组成员。图片来历:Switzer课题组 [2]

研讨者运用的办法是“旋涂外延法”。其间,“外延法”是一种常见的晶体成长办法。比方气相外延法,是在超高真空条件下,以一种单晶资料做基底,经过气体在其外表缓慢成核,成长出外延晶体。该办法能够制备出近乎完美的晶态膜,可与单晶相媲美。“旋涂法”也很常见,在半导体光刻以及钙钛矿太阳能电池制备中,用于构成均匀薄膜。旋涂法中基底高速旋转,覆膜资料溶液滴加在基底中心,在离心力的效果下打开,溶剂蒸腾终究成薄。不过,旋涂法得到的薄膜多对错晶态或多晶态。要把“旋涂法”和“外延法”这两种常见的简略办法结合起来,用旋涂办法得到单晶或类单晶外延膜,却并不简略。



外延法设备示意图。图片来历于网络

Switzer教授团队成功的关键在于经过调理涂布溶液的粘度和旋转速度来精细地操控涂布溶液的厚度。如此,阻滞在单晶或类单晶基底上的过饱和溶液薄层中,资料在单晶基底上的异相成核会优先于溶液中的均匀成核,而且有序的阴离子吸附层(adlayer)可下降外表上成核的活化能。



旋涂外延膜成长示意图。图片来历:Science

具体来说,他们将无机资料或其前驱体溶解在恰当的溶剂之中,并运用与之相匹配的单晶基底,操控溶液粘度和旋转速度,得到了无机功用资料旋涂外延膜。研讨者使用该办法,在SrTiO3(100)、Au/Si(111)、Au/Si(111)、Ag/Au/Si(100)基底外表,别离成长出钙钛矿CsPbBr3、碘化铅(PbI2)、氧化锌(ZnO)以及可用作献身式成长模板的水溶性资料NaCl等外延膜。



CsPbBr3(A)、PbI2(B)、NaCl(C)、ZnO(D)外延膜的描摹。图片来历:Science

早在19世纪前期,科学家们就注意到结构附近的天然晶体有时会沿着共同的取向结晶共生在一起,这是自然界中的外延成长。1836年,德国科学家Moritz Frankenheim在实验室中将方解石(CaCO3)晶体置于NaNO3溶液中,成功地在CaCO3外表得到了一层与之晶体取向平行的NaNO3晶体。这么来看,最早的外延成长也是在溶液中进行的。(PS,1842年,Moritz Frankenheim提出晶体内部格子的结构理论,并推出了15种或许的空间格子。1848年,Auguste Bravais批改了其研讨结果,才有了咱们今日晶体学中的14种布拉维格子。)



14种布拉维格子。图片来历于网络

1928年,Royer Bull引进“外延(Epitaxy)”来描绘这种取亚瑟王向结晶成长的共生行为,而且发现只要当两种资料具有类似的晶格网络和晶面距离时才会呈现外延成长现象。Royer以为,当晶格失配度小于15%时,才有或许完成外延成长(as、af别离为衬底和外延晶体的晶格常数)。因而,适宜的基底是外延法重要的影响要素。




在本文中,作者也研讨了外延膜的面外和面内的取向性,外延膜的面外和面内取向由单晶或类单晶的基底决议。



X射线测定外延膜面内取向。图片来历:Science

与动辄上百万的分子束外延设备,以及需要高真空度、高温或高压的其他外延办法比较,旋涂外延法的优势非常显着。旋涂外延法简略且廉价,适用于多种无机资料及其前驱体,只要挥发性副产物,为制作太阳能电池、固态激光器、柔性电子器件等的晶态薄膜供给了一种新的战略,也为外延薄膜的大规模工业化使用带来了或许。举个比较实际的比如,在硅基电池上构成钙钛矿单晶薄膜,制备硅旋涂外延膜:这篇Science我等了两年基-钙钛矿叠层电池,将进一步进步太阳能电池的光电转化功率[3]。不过本文的旋涂外延法更多是实验室中的概念验证,所用资料溶液不过数百微升,在相对杂乱的功用资料系统中制备大面积高质量的单晶外延膜,仍是一个亟待处理的问题。只要处理了这一问题,旋涂外延成长才干发挥出更大的价值。

原文

Spin coating epitaxial films

Science, 2019, 364, 166-169, DOI: 10.1126/science.aaw6184

参考文献:

1. Epitaxial lift-off of electrodeposited s旋涂外延膜:这篇Science我等了两年ingle-crystal gold foils for flexible electronics.Science, 2017, 355: 1203-1206

DOI: 10.1126/science.aam5830

https://science.sciencemag.org/content/355/6330/1203?ijkey=3d9c4bede32f09ae5dd0362e1304b578旋涂外延膜:这篇Science我等了两年f9a32751&keytype2=tf_ipsecsha

2 Jay Switzer课题组

http://web.mst.edu/~jswitzer/

3. Marrying two types of solar cells draws more power from the sun

https://www.sciencemag.org/news/2019/04/marrying-two-types-solar-cells-draws-more-power-sun

(本文由小希供稿)

请关注微信公众号
微信二维码
不容错过
Powered By Z-BlogPHP