北京大學(xué)物理學(xué)院“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”的朱瑞研究員和龔旗煌院士等，針對鈣鈦礦材料從前驅(qū)液到多晶薄膜的結(jié)晶動力學(xué)和形貌演變過程進(jìn)行了深入研究。該工作結(jié)合基于同步輻射的掠入射X射線衍射(GIXD)和傅立葉變換紅外光譜等先進(jìn)的表征技術(shù)，對鈣鈦礦材料從前驅(qū)液到多晶薄膜進(jìn)行原位實(shí)時(shí)探測，在結(jié)構(gòu)變化上提出了“納米中間體組裝模型”，在分子或者納米尺度下研究鈣鈦礦的結(jié)晶和生長機(jī)理。同時(shí)調(diào)控鈣鈦礦結(jié)晶過程中的溫度和時(shí)間等參數(shù)，多維度研究印刷鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學(xué)。

在介觀尺度的薄膜形貌上，研究團(tuán)隊(duì)利用基于復(fù)合光學(xué)顯微鏡的原位加熱實(shí)驗(yàn)，觀察一步法鈣鈦礦薄膜的形成過程，建立“結(jié)晶-耗盡”物理模型，闡述周期性環(huán)帶鈣鈦礦薄膜形貌的形成機(jī)制。本研究全面報(bào)道了鈣鈦礦材料從分子層面的結(jié)晶生長到介觀尺度上的薄膜形貌。此外，研究者也對印刷鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行了優(yōu)化和表征，獲得了與傳統(tǒng)旋涂方法相當(dāng)?shù)钠骷怆娦阅埽瑢︹}鈦礦太陽能電池從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化進(jìn)行了積極的探索，具有一定的實(shí)際意義。

該研究工作發(fā)表在《自然通訊》雜志(Nat. Commun. 2017, 8, 15688)上。朱瑞研究員課題組的博士生胡芹和趙麗宸為該文章的共同第一作者。此研究是與美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的Thomas P. Russell教授和劉烽博士、英國薩里大學(xué)的張偉博士等合作展開的。該工作得到中國國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心”“2011計(jì)劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、“青年千人計(jì)劃”和美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)等單位的支持。

(a)印刷鈣鈦礦從前驅(qū)液到多晶薄膜轉(zhuǎn)換過程中不同階段的GIXD二維衍射圖;(b)鈣鈦礦結(jié)晶的納米中間體組裝模型;(c)印刷薄膜的形貌顯微鏡圖;(d)周期性“結(jié)晶-耗盡”物理模型示意圖。