摘要：近期，西湖大学工学院仇旻团队开发了一种新型的冰辅助实现范德华金属接触技术，成功解决了卤化物钙钛矿器件在电极制备过程中的一大难题。由于钙钛矿具有“软晶格”特性，传统电极制备工艺容易在电极-钙钛矿界面处引入缺陷，严重影响载流子传输。该团队创新性地引入水冰作为缓冲层

近期，西湖大学工学院仇旻团队开发了一种新型的冰辅助实现范德华金属接触技术，成功解决了卤化物钙钛矿器件在电极制备过程中的一大难题。由于钙钛矿具有“软晶格”特性，传统电极制备工艺容易在电极-钙钛矿界面处引入缺陷，严重影响载流子传输。该团队创新性地引入水冰作为缓冲层，其在金属沉积过程中能够有效保护钙钛矿表面，之后通过自然复温使冰层完全升华，即可实现金属电极与钙钛矿的无损接触。基于这一策略制备的钙钛矿光电探测器，性能得到了显著提升：暗电流在0.1 V偏压下低至 69.7 pA，较传统方法制备的器件降低一个数量级；同时，在 450 nm蓝光激发下，器件实现了 2.4×105的超高开关比，并在弱光条件下仍保持42.1 A/W的高响应率。这项研究为高性能钙钛矿光电器件的研发提供了全新思路。相关研究成果以《Ice-assisted van der Waals Metal Contact with Halide Perovskites》为题，发表于Cell Press期刊《Device》。

研究团队在前期冰刻技术的基础上，利用水冰与钙钛矿的优异兼容性，开发了全新的冰辅助制备范德华接触方法，核心步骤包括：（1）样品降温&水冰沉积：将附有掩模的钙钛矿薄膜冷却至约 120K，原位沉积水冰缓冲层；（2）金属蒸镀：在冰层上沉积金属电极；（3）冰升华&金属软着陆：复温使冰层直接升华（无液态水生成），金属电极软着陆于钙钛矿表面，形成原子级清洁的范德华界面。表征结果显示，冰沉积-升华过程不会改变钙钛矿的晶体结构和化学组成，同时钙钛矿-电极界面中无残留水空隙。

以典型无机钙钛矿 CsPbBr3为例，冰辅助实现的 Au/CsPbBr3界面锐利且晶格完整，无扩散或无序区域；而传统直接沉积产生的界面存在纳米级金属原子扩散层，并伴随晶格无序化。荧光成像结果表明，冰辅助沉积金属经剥离后，下方钙钛矿保留了较高的本征荧光强度，而直接沉积方法导致接触区域钙钛矿荧光淬灭严重，证实冰缓冲层有效抑制了非辐射复合中心的形成。此外，团队将冰辅助沉积策略扩展到活性金属电极（如 Ag、Al）的制备中，进一步展示了该策略的普适性。

借助X射线光电子能谱（XPS)，开尔文探针力显微镜（KPFM）和导电原子力显微镜（C-AFM）等技术，团队比较了冰辅助沉积电极和直接沉积电极下方钙钛矿的化学态和电学特性。结果显示，冰辅助样品的 Au⁰残留信号强度远低于直接沉积样品，界面为纯物理相互作用，并且冰辅助接触下方 CsPbBr3呈 p 型掺杂。C-AFM 表明冰辅助接触区域的电流分布均匀，平均电阻率更高，减少了金属渗透导致的漏电通路，这些数据为冰辅助策略实现“原子级清洁界面”提供了直接证据，支撑了器件性能的提升。

为评估冰辅助策略对钙钛矿缺陷的抑制效果，团队通过脉冲空间电荷限制电流（pulsed-SCLC）分析量化缺陷密度。结果显示，冰辅助 Au 接触器件填充限制电压较低，对应陷阱密度显著降低，而直接 Au 接触器件在测试电压范围内未实现从陷阱填充到无陷阱区的过渡，印证了冰辅助方法对晶格无序和缺陷的显著抑制；同时，还通过微区时间分辨光致发光（TRPL）光谱表征了不同接触下 CsPbBr3的载流子复合行为，进一步显示，冰辅助接触的 CsPbBr3平均载流子寿命大幅延长，有效抑制缺陷态导致的非辐射复合。

最终，基于冰辅助策略制备的 CsPbBr3光电探测器展现出卓越性能：暗电流（69.7 pA@0.1 V）较传统器件（0.58 nA）降低1个数量级，为目前已报道 CsPbBr3单晶横向探测器的最低值；在 450 nm 激光照射下，器件表现出优异的光响应特性，弱光响应度达 42.1 A/W，较直接 Au 接触器件（26.9 A/W）提升明显，探测率从 4.50×10¹² Jones 提升至 1.39×10¹³ Jones，凸显其在弱光探测领域的潜力；同时，器件的响应速度显著加快（上升/下降时间分别为 26.6 ms和 90.2 ms），远快于直接接触器件（上升/下降时间分别为760 ms和192.8 ms），并在 0 V 偏压下实现 2.4×10⁵超高开关比，反映出高效的电荷提取和传输能力。此外，器件在长期稳定性测试中，光电流漂移仅 0.02 nA / 秒，暗电流漂移低至 7.78×10⁻⁴ pA / 秒，远优于性能明显衰减的传统器件，充分证明冰辅助策略能有效抑制陷阱和移动缺陷，提升器件稳定性。

来源：新浪财经