摘要：“有一阵子我们几乎每天都是从前天晚上设计实验，第二天早晨 8 点左右进手套箱开始进行配药、沉积、旋涂、刮涂、热蒸发等操作，通常一天要制备 100 多片薄膜。

“有一阵子我们几乎每天都是从前天晚上设计实验，第二天早晨 8 点左右进手套箱开始进行配药、沉积、旋涂、刮涂、热蒸发等操作，通常一天要制备 100 多片薄膜。

碰上周期比较长的实验，还会一直做到凌晨才结束。”湖北大学吴聪聪教授表示。

图 | 吴聪聪（来源：吴聪聪）

在他和团队的努力之下，课题组克服了传统工艺在晶体质量和均匀性上的局限，成功实现从实验室小面积薄膜到工业化的大面积制备，为高性能钙钛矿材料在能源和光电领域的广泛应用打开了新大门。

同时，这项研究也为工业级制备高取向晶体薄膜提供了新方案，更为制造高性能的功能转换器件注入了新思路。

研究中，他们将机械作用与化学作用加以结合，通过引入“机械剪切力”，来精确地控制光电薄膜的晶体排列，从而为材料晶体取向调控开辟了全新路径。

在传统方法中，由于溶剂蒸发过程比较缓慢，因此无法提供有效的机械作用窗口，以至于会形成无序的晶体薄膜。

而本次研究则开发出一种“快速结晶”前驱体溶液，让机械剪切力能够在短时间内介入，从而与钙钛矿的原子级组装保持高度同步。

在上述过程之中，通过宏观和动态的剪切，可以影响晶体的生长取向，从而获得一类光电晶体薄膜，这类薄膜覆盖原子尺度到宏观尺度，并且都具有高度的有序性。

在机械-化学的共同作用之下，可以印刷出长程有序的光电薄膜，这不仅能降低生产成本，也能大幅提升器件的光电性能和长期稳定性。

在太阳能电池、光电探测器、发光二极管、柔性电子器件以及其他光电领域，这一成果展现出广泛的潜在应用：

其一，可用于制备高效的太阳能电池。

对于这种长程有序的光电薄膜来说，它可以显著提升光电转换效率和器件稳定性，非常适合用于开发下一代太阳能电池。

特别是在大规模地生产低成本、高性能的钙钛矿太阳能电池模组上，本次成果有望推动新型太阳能发电系统的商业化应用，比如用于打造建筑一体化光伏和便携式太阳能设备等。

其二，可用于制备光电探测器。

对于高取向性的光电薄膜来说，其具备优异的光学特定与电学特性，因此是制备光电探测器的理想材料。

采用本次技术所制备的光电探测器，有望实现更高的灵敏度、更快的响应速度和更宽光谱探测范围，从而能助力于环境监测、医疗成像、光通信和自动化工业等领域的发展。

其三，可用于制备高效发光二极管。

采用本次技术所开发的发光二极管，具有高效率、高稳定性和宽色域等优势，在蓝光、白光和近红外波段的显示设备和照明设备中表现出极大潜力，从而有望用于高端显示屏、智能照明系统以及激光器，进而助力推动发光二极管行业进入更高效能和更低能耗的新时代。

其四，可用于制备柔性电子器件。

采用本次技术制备的光电薄膜，还具有优异的机械柔性和低温加工等特性，故能在柔性电子器件中发挥作用，比如能被用于柔性太阳能电池、可穿戴设备、电子皮肤和智能显示屏，以便满足用户对于轻量化、便携化和智能化的要求。

其五，可用于激光与光学调控器件。

如前所述，采用本次技术制备的光电薄膜具有长程有序的特点，这让其拥有较高的结晶质量和优异的光学性能，故能用于开发一些高精密光学调控器件，比如开发新型的光开关、光学滤波器和可调谐激光器等。

据吴聪聪介绍，近年来在提升金属卤化物钙钛矿材料的性能时，人们一直面临着晶体有序性不足的限制。尤其是如何从原子层面实现宏观尺度的高取向性排列，一直是该领域的难题之一。

对于现有的合成方法来说，它在晶体有序性、缺陷控制以及大面积制备的兼容性上仍然存在明显不足，这制约了钙钛矿材料的性能发挥和产业化进程。

为了应对这些挑战，本次研究提出上述新型合成策略，通过机械-化学的共同作用，实现了钙钛矿材料从微观到宏观的长程有序排列。

在课题初期，他们围绕“印刷法制备大面积钙钛矿模组”这一方向展开研究。但在定题之后，却一直面临着如何选择研究切入点的问题。

例如：如何选择适合的印刷设备？如何选择合适的溶剂体系？如何有效控制大面积钙钛矿晶体的质量？以及如何选择合适的激光器？

此前，在制备刮涂印刷大面积钙钛矿薄膜时，学界仍以使用非挥发性溶剂为主。

而基于该团队的研究经验，他们决定使用挥发性溶剂，并从钙钛矿前驱体溶液的流体性质作为出发点，来研究其流体性质对于印刷大面积钙钛矿薄膜的影响。

期间，他们制备出多种浓度梯度的钙钛矿前驱体溶液，以此为基础制备了薄膜和器件，并利用旋转流变仪测出了溶液粘度。

在做实验之外，他们又重新学习了流体力学的基础知识，以便对于牛顿流体和非牛顿流体产生更为清晰的认识，以期能够顺利完成实验。

“可是实验并没有达到想象中的效果，我们发现浓度越低，所获得的薄膜越薄、电流密度也更小，这种结果让人感到非常迷茫。”吴聪聪说。

单单考虑“流体性质”这条路走不通后，一次巧合的机会他们横向对比了刮涂法制备和旋涂法制备的钙钛矿薄膜 X 射线衍射。

结果发现：采用刮涂法配合挥发性溶剂制备的钙钛矿薄膜晶体，其质量得到了巨大提升。

可是还没高兴多久，他们又陷入了沉思：“为什么面对相同的钙钛矿前驱体油墨，当使用不同的成膜方案时，所获得的薄膜 X 射线衍射结晶强度会差别这么大？”

后来，他们进一步开展实验，通过研究不同厚度的薄膜，证实上述现象确实存在。但是，经过长时间的思考和文献查阅，他们仍然没有找到合理的理论来解释这一现象。

这时，他们联想到此前所做的“流体性质”研究。在“流体性质”研究中，他们曾发现通过旋转流变仪所得到的钙钛矿溶液，存在剪切变稀的趋势。

随后，他们查阅了溶液剪切变稀的原因，结果发现剪切应力会诱导高分子链段发生定向排列，从而能够减少剪切阻力，进而会呈现出粘度减小的现象。

那么，如能证明钙钛矿溶液也是胶体，这时使用剪切变稀理论，似乎就能很好地解释为何刮涂法比旋涂法所制备的钙钛矿薄膜具备更好的取向性。

后来，他们结合相关文献证明：钙钛矿溶液的确是一种胶体，这些胶体由碘铅四面体组成。研究进行到这里，一切似乎又朝着他们想要的方向发展。

然而，他们又发现在非挥发性溶剂体系中也存在剪切变稀的现象。不过，当使用非挥发性钙钛矿油墨配合刮涂法的时候，所制备的钙钛矿薄膜的 X 射线衍射结晶质量并没有提升。

研究进行到这里，似乎又和前面所提理论发生了冲突。不过，当他们将不同挥发性溶液的“化学作用”纳入考虑范围，问题很快迎刃而解。

基于此，他们提出了这一理论：即机械-化学协同作用，会对合成长程取向的钙钛矿薄膜产生叠加影响。

而该理论同时结合了“机械印刷更快速”和“化学挥发性溶剂处理更简单”的优势，故能为高取向性、大面积钙钛矿薄膜的规模化和低成本印刷提供新方案。

日前，相关论文以《长程有序钙钛矿的同步机械和化学合成》（Simultaneous mechanical and chemical synthesis of long-range-ordered perovskites）为题发在 Nature Synthesis[1]。湖北大学硕士生刘宏为第一作者，吴聪聪担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Synthesis）

目前，他们开始制定了后续研究计划，旨在进一步拓展和深化机械-化学协同作用在光电薄膜中的应用。

首先，尽管本次研究主要聚焦于钙钛矿光电薄膜，但是他们也能希望将这一技术用于其他功能材料，比如用于二维材料、有机半导体和量子点等新型材料体系。

因此，他们将深入研究机械-化学协同作用在晶体薄膜生长中的动态调控机制，通过引入外界作用来优化这些材料的长程有序结构，探索其在不同光电器件中的性能表现。

其次，本次成果可用于开发环境监测型智能传感器，也能用于开发高速通信型光学调控器件，还能用于开发柔性生物传感器进而用于医疗成像和健康监测。

因此，他们将重点探索这些薄膜技术在实际应用中的表现，以便为光电技术开拓新的场景。

再次，其将与材料科学、计算模拟和工程技术领域的学者专家合作，以便优化工艺设计和提升技术成熟度。

同时，他们将与业界合作开发大规模制备设备，推动本次技术在太阳能电池、智能传感器和柔性电子器件中的产业化落地。

参考资料：

1.Liu, H., Wu, H., Zhou, Z.et al. Simultaneous mechanical and chemical synthesis of long-range-ordered perovskites. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00687-2

运营/排版：何晨龙

来源：DeepTech深科技