一种图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的制备方法与应用技术

本发明专利技术属于图案化阵列薄膜制备技术领域，具体涉及一种图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的制备方法与应用，基于分子外延定位生长。本发明专利技术使用NH2‑

【技术实现步骤摘要】
一种图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的制备方法与应用


[0001]本专利技术属于图案化阵列薄膜制备
，具体涉及一种图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的制备方法与应用，基于分子外延定位生长。

技术介绍

[0002]由于钙钛矿材料具有高的光电转换效率，同时具备带隙可调、载流子扩散速度快、光吸收系数大等优点，这些优异的性能使其被广泛应用于光线通信、光学成像、光电自动控制、生物传感等各个领域，受到了各行业内广泛的关注。
[0003]然而单个钙钛矿光电器件无法完全发挥其优异性能；如在成像探测领域，阵列化的光电探测器集成封装，通过光电效应显示不同光学图案，才能实现高分辨率的成像器件和显示高清晰图像功能，进一步推动可见光图像传感设备发展；这就对钙钛矿薄膜具有阵列化或图案化、高质量可控和精确生长提出了要求。
[0004]目前钙钛矿阵列制备技术，如刀片刮涂法、周期性模板引导法等技术可以制备钙钛矿纳米线阵列，却难以精确控制既定图形的钙钛矿薄膜生长，对于钙钛矿来讲严重限制了系统化的图像传感应用。
[0005]钙钛矿图案制备技术，如模板辅助两步旋涂法、润湿性可调节模板法、，需要采用复杂的模板或在基片上预先制备均匀的钙钛矿种子层，虽然成功生长出图形化的钙钛矿阵列，但是制备过程复杂，器件设备昂贵，更重要的是这些方法在众多器件(例如柔性光电探测器)的制备上都不再适用。
[0006]其他方法如利用单分子膜辅助生长技术，往往只能成功的修饰在一些特殊的基片上，不具有普适性；其次单分子膜大多价格昂贵且需要配备一些特定的仪器才能使用；最后，在单分子膜修饰和去除高分子聚合物的过程中都会使用到一些剧毒性溶剂，其危害性较大，这就大大的限制了该技术的广泛应用。
[0007]并且由于钙钛矿材料含有有机成分易水解的特性，导致光刻工艺中每个顺序的显影、刻蚀和洗涤步骤都会严重破坏钙钛矿结构，从而也不能利用传统紫外曝光光刻工艺进行器件制备。
[0008]综上，现有钙钛矿晶体难以实现精确的阵列化以及图案化制备，从许多实际应用的角度考虑，这对工艺上能满足操作简单易重复、可设计阵列或者图案、钙钛矿薄膜能精确定位生长等要求提出了挑战；严重制约了其在如光电探测、图像传感等领域的应用。

技术实现思路

[0009]针对上述存在问题或不足，为解决现有钙钛矿材料无法实现阵列化、图案化、高质量可控和精确生长的问题，本专利技术提供了一种图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的制备方法与应用。
[0010]一种图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1、制备基底：将上、下基底材料切割成面积相同的预期尺寸；
[0012]进一步的，上述上、下基底表面进行清洁后再使用。
[0013]步骤2、光刻阵列图案：利用光刻工艺，在步骤1准备的下基底上制备所需的阵列图案，选择相应的掩膜版图案以复刻所需的阵列图案形状；所需的阵列图案包括单个电极的图案和整体的整列图案。
[0014]步骤3、蒸镀电极材料：通过真空热沉积蒸镀法，在阵列图案的每个单元图案上蒸镀电极材料，以获得由单个单元电极构成阵列图案的电极整列。
[0015]真空热沉积蒸镀时需要控制电极材料沉积的速率，沉积速率过慢，电极材料沉积膜在厚度不足时为孤立的岛状，未连成薄膜，沉积速率过快，电极材料容易沉积不均匀，影响钙钛矿晶体的生长。
[0016]进一步的，在步骤2所得下基底表面先蒸镀一层Cr过渡层，然后再蒸镀电极材料；蒸镀一层Cr的目的是加固电极的附着力，防止脱落。
[0017]步骤4、NH2‑
CH2CH2‑
SH化学分子表面修饰：
[0018]将步骤3所得下基底置于NH2‑
CH2CH2‑
SH分子溶液中浸泡2h～5h，使得NH2‑
CH2CH2‑
SH 对阵列图案电极的表面进行修饰，NH2‑
CH2CH2‑
SH分子溶液浓度为0.02mol/L～0.05mol/L。
[0019]通过使用含有巯基(
‑
SH)和氨基(
‑
NH2)的化学分子NH2‑
CH2CH2‑
SH对电极表面进行修饰，NH2‑
CH2CH2‑
SH化学分子作为连接钙钛矿和电极图案的中间体，巯基(
‑
SH)与电极层形成共价键，可以选择性地修改电极表面状态，而氨基(
‑
NH2)则提供选定的钙钛矿生长平台，使得钙钛矿分子只在被修改过表面状态的电极表面上进行生长，而不在除电极区域以外的部分上生长，成功实现了具有特定形状的钙钛矿图案薄膜的定位生长，在微米尺度上实现特定形状、阵列化和尺寸均匀的钙钛矿阵列的制备。
[0020]在不同实验条件中，溶液浓度、环境温度、湿度以及其他因素可能影响NH2‑
CH2CH2‑
SH 分子对于电极表面的修饰程度，根据相应地条件选择最合适的溶液浓度以及修饰时间。
[0021]步骤5、空间限制生长技术生长钙钛矿薄膜：
[0022]5‑
1、将步骤4所得下基底以表面水平向上置于压力传感器上；然后将上基底表面向下放置到下基底上，上下基底相适应的重叠。
[0023]5‑
2、将钙钛矿前驱体溶液，滴加到上基底与下基底衔接处，钙钛矿前驱体溶液需满布上、下基底间的间隙。
[0024]所述配制钙钛矿前驱体溶液：是将CH3NH3X和PbX2粉末溶于N
‑
N二甲基甲酰胺(DMF) 中，溶质质量分数比为0.2M～0.5M，CH3NH3X：PbX2摩尔质量比为1：1。
[0025]钛矿材料前驱体溶液浓度和滴加的溶液量都会影响成膜质量，溶液浓度过低或者滴加的溶液量太少，部分电极上钙钛矿薄膜生长不完全甚至没有钙钛矿薄膜生长；溶液浓度过高或者滴加的溶液量太多，钙钛矿溶液会因高温结晶堆积，形成多晶或者非晶状态，以及单个电极上钙钛矿薄膜会逐渐生长连接在一起，两个电极合并为一个电极，影响图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的性能。
[0026]5‑
3、保持上、下基底间施加压力的情况下，将上、下基底置于75℃～90℃的环境内以恒温生长图案化单晶钙钛矿阵列薄膜。
[0027]由于NH2‑
CH2CH2‑
SH化学分子作为连接钙钛矿和电极图案的中间体，选择性地修改电极表面状态，使得钙钛矿分子只在被修改过表面状态的电极表面上进行生长，而不在除
电极区域以外的部分上生长，因此所生长的图案化单晶钙钛矿阵列薄膜其图案与电极阵列的阵列图案相适应。
[0028]进一步的，所述图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的生长时间为30min～30h。
[0029]通过调节施加压力的大小限制两基底之间的间隙距离，实现从纳米到微米尺度的变化，即所制得的图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的厚度取决于两个基底之间的间隙大小。
[0030]此外，虽然钙钛矿薄膜均匀平整、缺陷密度低，但是钙钛矿薄膜生长需要在恒温环境，晶体质量受温度变化影响大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、制备基底：将上、下基底材料切割成面积相同的预期尺寸；步骤2、光刻阵列图案：利用光刻工艺，在步骤1准备的下基底上制备所需的阵列图案，选择相应的掩膜版图案以复刻所需的阵列图案形状；所需的阵列图案包括单个电极的图案和整体的整列图案；步骤3、蒸镀电极材料：通过真空热沉积蒸镀法，在步骤2所得阵列图案的每个单元图案上蒸镀电极材料，以获得由单个单元电极构成阵列图案的电极阵列；步骤4、NH2‑
CH2CH2‑
SH化学分子表面修饰：将步骤3所得下基底置于NH2‑
CH2CH2‑
SH分子溶液中浸泡2h～5h，使得NH2‑
CH2CH2‑
SH对阵列图案电极的表面进行修饰，NH2‑
CH2CH2‑
SH分子溶液浓度为0.02mol/L～0.05mol/L；步骤5、空间限制生长技术生长钙钛矿薄膜：5
‑
1、将步骤4所得下基底以表面水平向上置于压力传感器上；然后将上基底表面向下放置到下基底上，上下基底相适应的重叠；5
‑
2、将钙钛矿前驱体溶液，滴加到上基底与下基底衔接处，钙钛矿前驱体溶液需满布上、下基底间的间隙；所述配制钙钛矿前驱体溶液：是将CH3NH3X和PbX2粉末溶于N
‑
N二甲基甲酰胺(DMF)中，溶质质量分数比为0.2M～0.5M，CH3NH3X：PbX2摩尔质量比为1：1；5
‑
3、保持上、下基底间施加压力的情况下，将上、下基底置于75℃～90℃的环境内以恒温生长图案化单晶钙钛矿阵列薄膜，生长的图案化单晶钙钛矿阵列薄膜其图案与电极阵列的阵列图案相适应；通过调节施加压力的大小限制两基底之间的间隙距离，实现从纳米到微米尺度的变化，即所制得的图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的厚度取决于两个基底之间的间隙大小；5
‑
4、图案化单晶钙钛矿阵列薄膜生长完成后，将上、下基底剥离，即得。2.如权利要求1所述图案化单晶钙钛矿阵列薄膜的制备方法，其特征在于：所述基...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭波，周红梅，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：