莱斯大学领导的一项研究通过控制动态结晶成功地解决了二维卤化物包晶合成的瓶颈问题。近年来，太阳能电池效率的提高在很大程度上得益于光收集材料（如卤化物包晶）的使用。然而，持续大规模地生产这些材料仍然是一项复杂的任务。
莱斯大学工程师与合作者开发的一种工艺通过对结晶过程的动态控制，产生了具有理想厚度和纯度的二维卤化物包晶晶体层--这是确保光电子和光伏设备稳定性的关键一步。图片来源：Jeff Fitlow 摄影/莱斯大学
莱斯大学化学和生物分子工程师阿迪提亚-莫希特（Aditya Mohite）与西北大学、宾夕法尼亚大学和雷恩大学的合作者共同开发了一种工艺，通过控制结晶过程的温度和持续时间，可以获得厚度和纯度都非常理想的二维光致发光半导体层。
李文斌是莱斯大学的研究生，也是发表在《自然-合成》上的一项研究的合著者。图片来源：Jeff Fitlow 摄影/莱斯大学
这一过程被称为动力学控制空间约束，它有助于提高基于卤化物包晶的新兴技术（如光电子和光伏）的稳定性并降低其成本。
克服合成瓶颈
莱斯大学乔治-R-布朗工程学院的博士生侯瑾（音译）说："生产层厚（或量子阱厚度，也称为'n 值'）大于 2 的二维包晶是一个主要瓶颈，"他是发表在《自然-合成》（Nature Synthesis）上有关该工艺研究的第一作者。n 值大于 4 意味着材料具有更窄的带隙和更高的导电性--这是应用于电子设备的关键因素。
原子或分子在形成晶体时，会排列成高度有序的规则晶格。例如，冰就有 18 种可能的原子排列或相。与冰中的氢原子和氧原子一样，构成卤化物包晶的粒子也可以形成多种晶格排列。由于材料特性与相有关，科学家们的目标是合成自始至终只表现出一种相的二维卤化物包晶层。但问题在于，高 n 值二维包晶的传统合成方法会导致晶体生长不均匀，从而影响材料的性能可靠性。
Aditya Mohite 是化学与生物分子工程系副教授，同时也是莱斯能源转型与可持续发展工程计划（REINVENTS）的系主任。图片来源：Aditya Mohite/莱斯大学提供
侯说："在传统的二维包晶合成方法中，由于缺乏对结晶动力学的控制，你会得到具有混合相的晶体，而结晶动力学基本上就是温度和时间之间的动态相互作用。我们设计了一种方法来减慢结晶速度，并逐步调整每个动力学参数，以达到纯相合成的最佳状态。"
除了设计出一种能够实现二维卤化物包晶石 n 值逐渐增加的合成方法外，研究人员还通过表征、光学光谱学和机器学习绘制了该过程的图谱（或相图）。
侯瑾是莱斯大学的研究生，也是发表在《自然-合成》（Nature Synthesis）上的一项研究的第一作者。
这项工作推动了高量子阱二维包覆晶石合成的发展，使其成为多种应用的可行且稳定的选择。
化学与生物分子工程和材料科学与纳米工程副教授莫希特说："我们开发了一种提高晶体纯度的新方法，解决了该领域一个长期存在的问题，即如何接近高n值、相纯的晶体合成。莫希特的实验室开创了提高卤化物包晶半导体质量和性能的各种方法，从结晶初始阶段的校准到溶剂设计的微调。"
这一研究突破对于合成二维包晶至关重要，二维包晶是实现太阳能电池商业相关稳定性、许多其他光电设备应用和基本光-物质相互作用的关键。
编译自：ScitechDaily