新突破！中国科大以“自刻蚀”实现材料精密制备

研究团队开发了一种“自蚀刻”技术，用于加工柔软不稳定的离子晶格半导体，特别是二维钙钛矿薄层单晶，而不会破坏其结构，从而克服了光电材料领域的一个关键挑战。

这项由中国科学技术大学、普渡大学和上海科技大学的研究人员领导的研究于周四发表在《自然》杂志上。

该团队提出了一种利用晶体生长过程中积累的内部应力进行引导的“自蚀刻”方法。通过使用温和的配体-异丙醇（IPA）溶液体系，研究人员在二维钙钛矿单晶的特定位置诱导了可控的面内自蚀刻。

随后，他们将不同卤素组成的二维钙钛矿精确填充到蚀刻后的空腔中。这使得在单晶晶片内能够制备出高质量的异质结，该异质结具有晶格连续性和原子级光滑的界面。

在半导体光电子学中，异质结——即在原子尺度上由不同化学成分的材料形成的界面——能够精确控制每个腔体的光学特性。通过调节这些蚀刻区域中的卤素含量，研究人员可以设计出具有可调发射颜色和亮度的像素状单元，这是实现小型化和高效光电器件的关键一步。

与传统的强溶剂处理或紫外图案化等方法相比，这种新策略更加温和，能够保护晶格免受损伤。

“这种加工方法表明，未来我们或许可以将不同颜色的微型发光像素密集排列在超薄材料上。这为高性能发光显示器件开辟了新的材料平台和设计途径，”研究团队成员张树晨说道。

研究背景与材料挑战

二维钙钛矿材料因其优异的光电性能，如高吸收系数、可调带隙及较强的激子结合能，近年来在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域备受关注。这类材料通常由有机阳离子层与无机卤化物八面体层交替堆叠而成，形成天然的量子阱结构，有利于载流子传输与复合。然而，其离子晶格特性也导致材料机械稳定性差，对外界环境（如湿度、溶剂、辐射）极为敏感，这为其微纳加工带来了极大困难。

传统的光刻、电子束蚀刻或化学蚀刻工艺往往涉及高能射线、强酸强碱或高极性溶剂，极易破坏钙钛矿材料的晶格完整性，导致界面缺陷增多、非辐射复合加剧，从而显著降低器件性能。尤其是对于二维钙钛矿单晶，如何在保持其原子级平整界面和完整晶格的前提下，实现精准、可控的图案化与异质结构集成，一直是该领域亟待突破的技术瓶颈。

“自蚀刻”技术的机理与实施

该研究团队提出的“自蚀刻”技术，核心在于巧妙利用材料本身在结晶过程中形成的内部应力作为蚀刻引导力。在二维钙钛矿单晶生长时，由于层间配体分布、卤素成分波动或生长速度不均，晶体内部会积累微应力场。研究人员通过配体-异丙醇（IPA）溶液体系，温和地浸润晶体表面，该溶液能够选择性软化或局部溶解处于高应力区域的离子键合网络，从而在预设位置启动蚀刻过程。

这一过程具有高度空间选择性，仅作用于内部应力集中区域，不会对周围晶格造成损伤。通过调节溶液的浓度、作用时间及环境条件，可实现蚀刻深度与形状的精确控制。与常规蚀刻相比，该方法无需外部高能激发或强化学腐蚀，本质上是一种“由内而外”的晶体结构引导式加工。

异质结的精准构筑与界面特性

蚀刻完成后形成的空腔，为后续材料填充提供了理想模板。研究团队采用溶液法或气相辅助法，将不同卤素成分（如氯、溴、碘或其混合体系）的二维钙钛矿前驱体填入空腔中，通过控制结晶条件，使其在蚀刻区域内外延生长。由于蚀刻界面本身具有原子级平整且晶格连续的特点，新生长的钙钛矿层能够与原有晶格实现近乎完美的对接，形成晶格匹配度极高、界面缺陷极少的异质结。

这种在单晶晶片内部直接构建异质结构的方法，避免了传统异质结制备中因材料转移、外延生长失配等引起的界面损伤与污染。结构表征显示，所得异质结界面的粗糙度低于0.5纳米，且无明显的晶格畸变或断裂，保证了载流子在界面处的高效传输与复合。

光学性能调控与应用潜力

基于该技术，研究人员成功在同一片二维钙钛矿单晶上制备出多区域、不同卤素组成的异质结构。通过调节卤素种类与比例，各区域表现出从蓝光到红光的可调光致发光特性，且发光半峰宽窄、色纯度较高。由于界面质量极佳，不同发光区域之间的串扰极小，适用于高密度像素化集成。

此外，该方法还可用于构建复杂能带结构的异质结，如Type-I、Type-II能带对齐方式，从而实现对载流子分离、传输与复合行为的进一步调控。这为设计新型发光器件、光电探测器和太阳能电池提供了更丰富的材料结构选择。

与传统加工技术的比较

与目前常见的紫外光刻、离子束蚀刻、溶剂化学蚀刻等图案化技术相比，“自蚀刻”策略具有以下显著优势：

1. 低损伤性：全过程无需高能辐射或强腐蚀性溶剂，最大限度保持晶格完整性。

2. 高精度与可控性：利用内部应力作为蚀刻引导，可实现亚微米级的空间选择性加工。

3. 界面质量优异：蚀刻与再生长均在单晶内部完成，界面原子级光滑且晶格连续。

4. 工艺兼容性好：所用溶液体系温和，可与多种溶液法加工技术结合，适合柔性器件与大面积制备。

未来展望与研究意义

该项工作不仅为二维钙钛矿及其他离子晶格半导体的微纳加工提供了一种全新思路，也为高性能集成光电子器件的实现奠定了材料与工艺基础。未来，通过进一步优化应力调控策略、扩展可适用的材料体系，并结合图案化电极集成、器件封装等技术，有望在超薄柔性显示、高分辨率微显示、片上光电集成回路等领域实现突破。

研究团队成员张树晨表示：“这项技术展示了一种在脆弱功能晶体中构建复杂结构的可行路径。我们相信，通过跨学科合作与工艺迭代，这类自引导微加工方法将推动更多新兴半导体材料走向实际应用。”

该研究得到了国家自然科学基金、国际合作项目及高校专项研究计划的支持。目前，团队正致力于将该技术拓展至三维钙钛矿、二维硫族化合物等更多材料体系，并探索其在多色发光阵列、光电传感器集成等方面的器件演示。