NML全面解读：外延生长“驯服”钙钛矿单晶异质结阵列：自供电成像的新范式

第一作者：Hui Lu, Yang Yu（共同第一作者）

通讯作者：吴文强、韩旭、潘曹峰

通讯单位： 中国科学院、北京航空航天大学

研究亮点：

1.开发了一种选择性外延生长策略，利用图案化聚合物模板定义像素尺寸与排布，同时利用单晶衬底锁定整个异质结阵列的晶面取向，首次实现了钙钛矿单晶异质结阵列的像素尺寸、排列角度和晶面的精确控制。

2.成功制备了MAPbCl₃/MAPbBr₃和MAPbBr₃/MAPbI₃两种单晶异质结阵列，并基于此构筑了自供电光电探测器阵列，在零偏压下实现了6.0×10¹¹ Jones的比探测率和9 nW/cm²的弱光探测极限。

3.该探测器阵列在零偏压下表现出长时运行稳定性，并成功实现了不同光照强度下光图案的清晰成像，空间分辨率达8.0 lp/mm（MTF=0.2），展示了在自供电成像领域的应用潜力。

一、本研究针对的问题与挑战
金属卤化物钙钛矿单晶因其低陷阱态密度、高载流子迁移率和优异的本征稳定性，在高端光电器件中极具潜力。然而，面向高分辨成像、显示和集成光学系统等应用，需要将钙钛矿单晶制备成有序阵列，并进一步构建异质结以赋予新功能（如自供电能力）。现有方法难以在单晶尺度上同时控制阵列的几何参数（像素尺寸、排列角度）和晶体学取向，导致像素间响应差异大，无法满足成像阵列的均匀性要求。此外，从体相异质结到阵列化集成的跨尺度制备存在工艺鸿沟。二、成果简介

本文北京航空航天大学吴文强和韩旭、中国科学院潘曹峰等人报道了一种选择性外延生长策略：先在透明导电衬底上通过空间限域法生长高质量单晶MAPbCl₃或MAPbBr₃薄膜作为外延衬底；然后沉积并图案化聚对二甲苯-C聚合物模板，在模板开口处暴露衬底；最后通过液相外延在开口内选择性生长MAPbBr₃或MAPbI₃，形成单晶异质结阵列。该方法中，聚合物模板精确控制每个像素的位置和尺寸，而单晶衬底通过晶格匹配强制整个阵列的晶体取向与衬底一致，从而实现了像素尺寸（5–50 μm可调）、排列角度（0°、45°等）和晶面（(100)、(110)、(111)）的精确控制。基于MAPbBr₃/MAPbI₃型‑II异质结的自供电光电探测器阵列（8×8像素）在零偏压下表现出稳定的开关行为，弱光探测极限低至9 nW/cm²，比探测率达到6.0×10¹¹ Jones。64个像素的暗电流集中分布（32.96±14.17 pA），光响应均匀，相邻像素间串扰可忽略。该阵列成功实现了“H”形和“圣诞树”形光图案的清晰成像，空间分辨率达8.0 lp/mm。这项工作为钙钛矿单晶异质结阵列的可控集成及其在自供电成像中的应用开辟了新途径。

三、结果与讨论要点 1选择性外延生长策略与异质结阵列的制备

制备流程：首先通过空间限域法在ITO玻璃上生长高质量MAPbCl₃或MAPbBr₃单晶薄膜，作为外延衬底；然后沉积Parylene‑C薄膜并经过光刻和干法刻蚀，形成具有特定位置和尺寸开口的图案化模板；最后在开口内通过液相外延选择性生长第二种钙钛矿晶体，形成单晶异质结阵列。以MAPbBr₃/MAPbI₃为例，外延过程中，前驱液与暴露的MAPbBr₃衬底表面发生卤素离子交换，形成梯度过渡层（MAPbI₃₋ₓBr₃(₁₋ₓ)），这有利于晶格匹配的成核和同质外延生长。SEM显示，在1.5×1.5 mm²面积内成功制备了44×44个均匀排列的异质结像素。EDS元素面扫描显示Cl和Br分别富集在底层和顶层，且界面处存在约4 μm宽的渐变过渡区，证实了离子交换过程。

要点 2外延生长动力学与晶体质量

以MAPbCl₃/MAPbBr₃体系为例，研究了外延生长动力学。MAPbCl₃衬底为立方相，XRD显示强(100)、(200)、(300)衍射峰，择优取向<100>；SAED证实单晶性。PL峰位于405 nm，吸收边3.02 eV；TRPL拟合得到快寿命1.43 ns和慢寿命36.53 ns，表明高质量。随着外延生长时间从5 s增至35 s，PL峰系统红移，表明Br逐渐取代Cl形成混合卤化物。在100–110°C的窄温度范围内优化生长速率，约1 min后可见MAPbBr₃阵列。像素尺寸随生长时间增加，且110°C下生长更快。150 s后，单个像素完全融合为边缘锐利、表面平整的方形像素（AFM粗糙度2.082 nm）。XRD和SAED表明外延层保持了衬底的立方相和[001]取向，仅因Br⁻半径大于Cl⁻导致衍射峰向低角度移动。

要点 3阵列几何与晶体学性质的精确调控

通过改变Parylene‑C开口尺寸，可线性调控像素尺寸（开口30 μm对应平均像素45 μm，实现100%覆盖）。通过旋转图案开口相对于衬底晶轴的角度（0°和45°），可精确控制整个阵列的排列角度。通过在前驱液中添加DPSI添加剂，可改变晶体习性，使MAPbI₃阵列从金字塔形转变为立方体形，同时暴露(100)而非(110)晶面，且外延关系保持不变。此外，使用不同取向的MAPbBr₃衬底（(111)和(110)）可对应地改变外延MAPbI₃阵列的形貌和取向。这些结果表明该方法在钙钛矿单晶异质结阵列的几何和晶体学参数上具有高度的可调性。

要点 4自供电光电探测器阵列的性能

基于MAPbBr₃/MAPbI₃型‑II异质结（能带图显示内建电场），制备了8×8像素的自供电光电探测器阵列。在零偏压下，器件对不同强度（66 nW/cm²至1.291 mW/cm²）的532 nm光照表现出稳定、可重复的开关行为，弱光探测极限达9 nW/cm²。光电流密度与光强呈线性关系，响应度在低光强下较高，峰值2.4 mA/W。比探测率在弱光下达到6.0×10¹¹ Jones。响应时间：上升22 ms，下降173 ms。连续开关7000 s后光电流衰减仅10%；在空气中存放四周后仍保持稳定开关行为，衰减约10%。64个像素的暗电流分布窄（平均32.96 pA，标准差14.17 pA），不同光强下光电流分布集中，表明像素间均匀性好。相邻像素间串扰可忽略。利用该阵列对“H”形光图案进行成像，随着光强从0增至1.291 mW/cm²，成像清晰度逐步提高。进一步扩展到16×16阵列，成功对“圣诞树”图案成像，调制传递函数在0.2时对应空间分辨率8.0 lp/mm。MAPbCl₃/MAPbBr₃异质结阵列也表现出类似的光电性能。

四、小结

本文开发了一种选择性外延生长策略，通过将图案化聚合物模板的空间限域与单晶衬底的晶格导向相结合，首次实现了钙钛矿单晶异质结阵列的像素尺寸、排列角度和晶面取向的精确控制。该方法成功制备了MAPbCl₃/MAPbBr₃和MAPbBr₃/MAPbI₃两种高质量单晶异质结阵列，并基于后者构筑了8×8像素的自供电光电探测器阵列。该阵列在零偏压下实现了9 nW/cm²的弱光探测极限、6.0×10¹¹ Jones的比探测率、良好的像素间均匀性和超过四周的空气稳定性，并成功演示了不同光照强度下光图案的清晰成像。这项工作为钙钛矿单晶异质结的阵列化集成提供了一种简单、普适的途径，有望推动自供电、高分辨率成像器件的发展。

五、参考文献

Lu, H., Yu, Y., Wu, W. et al. Controlled epitaxial growth of perovskite single-crystal heterojunction arrays for self-powered imaging. Nano-Micro Lett. 18, 391 (2026).

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02224-6

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