金属卤化物钙钛矿材料（Metal Halide Perovskites, MHPs）因其独特的光电性质，已成为下一代太阳能电池、LED、X射线、γ射线探测器等器件的热门材料。相比多晶薄膜，单晶钙钛矿晶体的缺陷更少，性能优势明显。

然而，这种高质量的晶体是如何在溶液中“一步步生长”，晶体与溶液的交界面究竟发生了什么，一直是科学家们努力攻克的难题。

近日

这一问题有了答案

深圳理工大学材料科学与能源工程学院助理教授史志方团队在晶体生长微观机制研究领域取得重要突破，其最新研究成果发表在Nature Synthesis上（点击文末“阅读原文”查看论文详情）。研究揭示了钙钛矿晶体在溶液生长过程中的一个神奇现象——晶体—溶液界面处存在一种“晶面自调控冷保护层”，为实现高质量钙钛矿单晶制备、为未来高性能材料的研发提供了全新思路。

论文上线截图

在研究中，史志方团队采用原位荧光寿命成像（FLIM）与显微吸收光谱技术，通过高精度的显微镜技术和温度测量，成功在微米尺度上测量了钙钛矿晶体（MAPbI₃）生长界面附近的温度分布。

“令人惊讶的是，我们在晶体边缘1.5–4微米的区域发现了一个温度明显低于溶液本体的‘冷区’，也就是晶体边缘存在一个‘冷保护层’。”史志方表示，这个冷保护层就像一个“隐形屏障”，能够阻止溶液中杂乱粒子附着在晶体表面，保护晶体表面不受外界干扰，确保晶体平整、均匀地生长。

这个冷保护层是怎么形成的呢？原来，当晶体生长时会释放热量（结晶放热），但周围的粒子就像“吸热海绵”，通过溶解吸收这些热量（溶解吸热）。同时，晶体生长不断消耗周围的单体，导致单体浓度下降，促使更多粒子溶解，形成了一个持续的吸热循环。最终，这个低温区域形成了一道“屏障”，让晶体在溶液中“冷静”地生长，把杂乱粒子挡在外面，避免了杂质的干扰，减少了缺陷的产生。

“这就像给工地拉起了警戒线”，史志方教授解释道，“只有符合标准的材料才能进入施工区，保障晶体沿着正确的方向有序生长。”

钙钛矿晶体生长机理

为了验证这一机制，研究人员还进行了“搅拌实验”。当加入搅拌子扰动生长环境后，冷保护层被破坏，晶体变得形貌紊乱、晶面不稳定。实验印证了生长过程中避免扰动对于高质量晶体的重要性，进一步证明了冷保护层在晶体生长中的关键作用。

“这项工作不仅从实验上揭示了钙钛矿晶体溶液生长中的微观调控机制，也为未来高质量晶体的可控生长提供了理论基础和技术路线。”史志方说。此外，相关理论也可能推广至其他含粒子的溶液体系，有望推动相关领域的技术进步。

来源：材料科学与能源工程学院

文字：史志方

责编：赖素麒

审校：孟倩羽、张吟越、王之康

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