Matter：长程有序量子点异质结生长机理：定向附着

近日，来自比利时根特大学邓玉豪博士，分析了长程有序量子点钙钛矿异质结的生长机理，指出其生长机理并非是现在普遍认为的异质外延，而是定向附着。并且指出这一新机理的提出，可以将定向附着用于构建晶格完美匹配的层状量子点异质结，从而解决这一领域的世纪难题。该工作以“Long-range ordered quantum dots in perovskite solids enabled by oriented attachment”为题，于近期发表在Cell出版社知名材料学期刊Matter杂志上。

论文链接 https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(24)00198-X              

背景：长程有序量子点钙钛矿异质结    

量子点钙钛矿异质结材料，因量子点与钙钛矿材料之间匹配的晶格常数，从而使得界面具有完美晶格匹配的无缺陷结构，从而产生高效的载流子迁移，以及其简单和低成本的胶体和溶液的制备方法，在高等光电子学领域具有很大的潜力。但是对于量子点是如何生长进入钙钛矿块材并且形成长程有序的结构 （图1A），迄今为止并没有详细的研究，现在大家都简单将生长机理其归结为异质外延。              

异质外延机理与长程有序量子点结构之间的矛盾

如图1B所示，钙钛矿基于量子点为核的异质外延，只可能产生单个量子点的钙钛矿量子点异质结晶粒，这些晶粒互相无序堆积，产生如图1C所示的多晶薄膜，并且每一个晶粒里面只会具有一个量子点，而不会出现多个。但是事实的结构是一个晶粒里面具备多个量子点，并且这些量子点是长程有序的，即晶格与钙钛矿完美匹配，并且量子点的晶格取向都完全一致。异质外延生长机理并无法解释这种结构且构成了矛盾，那么如何解释这个矛盾，真实的生长机理到底是什么呢？                   

定向附着，产生长程有序的量子点结构

通过分析，只有定向附着可以是这种长程有序的量子点结构的形成机理。定向附着作为一种普遍性的生长机理，已经被广泛被发现并且用于构建零维，一维以及多维的纳米结构。如图1D所示，量子点先通过定向附着与钙钛矿表面形成晶格匹配的异质结，然后钙钛矿再进行外延生长包覆量子点，从而形成量子点的长程有序结构。另外一种定向附着途径如图1E所示，钙钛矿先在量子点表面形成核壳结构，这种核壳结构再进行定向附着在钙钛矿表面，从而形成了长程有序的量子点结构。               

此发现的重要性：用于构建晶格匹配的层状量子点异质结-解决领域的世纪难题

这种量子点与半导体材料（钙钛矿）之间的定向附着机理，可以用于构建晶格匹配的层状量子点异质结。众所周知，层状量子点异质结已经在集成发光以及光伏器件取得重要应用，但是迄今为止高质量的量子点异质结生长都是基于真空外延的Stranski-Krastanow (SK) 模式，SK模式是基于晶格失配产生的应力，在生长过程中应力释放形成孤岛(量子点)结构，但是基于SK生长机理形成的浸润层会导致载流子泄漏，异质结的晶格不匹配会影响载流子的传输效率，以及器件的稳定性，并且无法兼容量子点粒径的均匀性和可调性。理想的量子点异质结应该是具有完美晶格匹配的异质结，然而晶格匹配的两种材料生长模式是层状生长Frank-Vander Merwe (FM)模式，不会形成量子点的结构。于是基于异质外延的量子点生长机理就存在根本矛盾：晶格失配应力诱导机制与晶格失配性能问题之间的矛盾。并且这一内在矛盾是本质性的，无法在自身范畴被解决。自从1937年SK模式被发现以来，这一内在矛盾已经困扰我们长达近一个世纪之久，已经成为这一领域的世纪难题。通过定向附着机理的引入，使得构建晶格匹配的层状量子点异质结成为可能，可望解决这一世纪难题，通过这一机理生长的层状量子点异质结将不会存在浸润层，并且晶格完美匹配，且量子点粒径非常均匀且可调，并且胶体与溶液方法也可克服了真空外延生长的流程复杂与高成本的问题。                   

意义和展望

本文通过对在钙钛矿量子点异质结中，量子点的长程有序结构的分析，指出定向附着才是长程有序结构的形成机理，而不是现在大家普遍认为的异质外延。这一发现可将定向附着机理引入到晶格匹配层状量子点异质结的生长中，从而使得构建晶格完美匹配的层状量子点异质结成为了可能，为解决这一量子点半导体领域的百年难题提供了方法。

根特大学邓玉豪博士为文章的第一作者兼通讯作者，本文所有工作由邓玉豪博士独立完成。                   

文献信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.04.025论文PDF文档链接：https://biblio.ugent.be/publication/01HZMGNTXN2VPQ9D1HHDE8HXZY