北航潘曹峰等：钙钛矿单晶异质结阵列精准“排兵布阵”，助力零偏压自供能成像

Controlled Epitaxial Growth of Perovskite Single-Crystal Heterojunction Arrays for Self-Powered Imaging

Hui Lu, Yang Yu, Wenqiang Wu*, Zeping He, Kaiyu Hu, Wenqiang Yang, Xun Han*, Caofeng Pan*

Nano-Micro Letters (2026)18: 391

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

本文亮点

1. 精准“排兵布阵”：实现单晶异质结阵列的几何与晶向协同调控。研究提出一种通用的选择性外延生长策略，利用图案化Parylene-C聚合物模板定义像素尺寸与空间位置，并通过底层钙钛矿单晶衬底锁定外延晶体取向，实现对钙钛矿单晶异质结阵列中像素尺寸、排列角度和暴露晶面的精确调控。

2. 零偏压自供能成像：兼具弱光探测、长期稳定和图案识别能力。基于MAPbCl₃/MAPbBr₃和MAPbBr₃/MAPbI₃单晶异质结构筑光电探测器阵列，在0 V偏压下表现出6.0×10¹¹ Jones的比探测率、9 nW cm⁻²的弱光探测限、良好的长期工作稳定性和清晰的图案成像能力。

研究背景

金属卤化物钙钛矿因具有优异的光吸收、高载流子迁移率、可调带隙和溶液可加工等优势，已被广泛应用于太阳能电池、发光二极管、光电探测器、激光器及神经形态器件等领域。与多晶薄膜相比，钙钛矿单晶通常具有更低的陷阱态密度、更高的载流子迁移率和更好的本征稳定性，是构建高性能光电器件的重要材料平台。

然而，面向高分辨率成像、显示和集成光学系统，仅获得高质量单晶材料仍然不够。器件应用要求材料进一步被加工成尺寸均一、位置有序、取向可控的像素阵列。尤其是当两种不同钙钛矿单晶构成异质结时，界面能带排列可产生内建电场，促进光生电子-空穴对分离，从而为零偏压、自供能光电探测提供物理基础。

当前的关键挑战在于，钙钛矿单晶异质结多停留在块体晶体或连续层状薄膜层面，如何将液相异质结形成过程微型化、空间限域化，并进一步制备成大面积、均一、离散的小像素阵列，仍存在较大难度。与此同时，若缺乏统一的晶体取向控制，阵列中不同像素可能出现随机取向，进而导致明显的像素间响应差异。因此，同时实现几何图案控制和晶体学取向控制，是钙钛矿单晶异质结阵列走向成像器件应用的关键瓶颈。

内容简介

针对钙钛矿单晶异质结阵列在大面积制备、像素均一性和晶体取向调控方面难以兼顾的问题，本文提出了一种选择性外延生长策略，实现了单晶异质结阵列的可控制备与器件集成。该策略以钙钛矿单晶薄膜为外延衬底，在其表面沉积并图案化Parylene-C聚合物模板，使异质结生长被限定在预设开口区域内。模板开口决定像素的位置和尺寸，单晶衬底则引导外延层的晶体取向。由此，研究团队实现了阵列几何结构和晶体学属性的同步调控，突破了传统液相生长中空间位置难限定、晶体取向易随机化的问题。

基于该方法，北京航空航天大学潘曹峰等人成功制备了MAPbCl₃/MAPbBr₃和MAPbBr₃/MAPbI₃两类钙钛矿单晶异质结阵列，并通过调节模板开口尺寸、模板旋转角度、前驱体添加剂及衬底晶面，实现了对像素尺寸、阵列旋转角和暴露晶面的可编程调控。相比依赖无序结晶或后续加工的制备方式，该方法在像素均一性、取向一致性和器件集成适配性方面具有明显优势。进一步地，研究团队基于MAPbBr₃/MAPbI₃单晶异质结阵列构筑了自供能光电探测器阵列。器件依靠异质结界面的内建电场实现光生载流子分离，无需外加偏压即可完成光响应与图案成像。结果显示，该器件在弱光探测、响应均一性、低串扰和稳定性方面均表现良好，为发展低功耗、高灵敏、阵列化光电探测与集成成像系统提供了新的技术路径。

图文导读

I 钙钛矿单晶异质结阵列的选择性外延生长过程与结构表征

如图1所示，研究团队首先通过空间限域方法在ITO玻璃上制备钙钛矿单晶薄膜，随后在其表面沉积Parylene-C薄膜并进行图案化处理，形成具有预设尺寸和排列方式的开口区域。在后续外延生长过程中，异质结仅在模板开口处形成，像素的位置与尺寸由模板精确限定，而外延层的晶体取向则由下方单晶衬底引导。

图1. 钙钛矿单晶异质结阵列的选择性外延生长过程与结构表征。

以MAPbCl₃/MAPbBr₃和MAPbBr₃/MAPbI₃为代表体系，研究验证了该策略的普适性。SEM结果显示，MAPbBr₃/MAPbI₃阵列可在1.5 × 1.5 mm²区域内形成44 × 44个高度有序的单晶异质结像素。EDS元素分布进一步证明，不同卤素组分分别位于底部衬底层和顶部外延层，并在界面附近形成约4 μm宽的渐变过渡区。这表明选择性外延生长过程伴随着界面局部离子交换和组分梯度形成，并在此基础上实现晶格匹配驱动的外延成核与取向生长。

II 从离子交换到方形像素：揭示外延生长动力学

为阐明异质结阵列的形成机制，文章以MAPbCl₃/MAPbBr₃异质结为模型体系，系统研究了外延生长过程中的光谱和形貌演化。如图2所示，MAPbCl₃单晶衬底具有清晰的(100)、(200)和(300)衍射峰，SAED结果也证明其单晶特征，为后续外延取向控制提供了基础。

在外延生长过程中，随着生长时间由5 s延长至35 s，PL峰发生系统性红移，说明界面区域发生卤素交换并形成混合卤化物过渡层。通过将结晶温度控制在100-110 °C之间，可以在保证成核质量的同时获得适当的生长速率，并有效避免杂散晶体生成。

形貌演化结果显示，小晶粒首先在模板开口内成核，随后逐渐合并，约150 s后形成边缘清晰、表面平整的方形像素。AFM结果表明，在20 × 20 μm²区域内，像素表面粗糙度仅为2.082 nm；XRD和SAED结果进一步证明，外延MAPbBr₃阵列保持了较高结晶质量，并继承了衬底的晶体对称性。

图2. MAPbCl₃/MAPbBr₃单晶异质结阵列的生长动力学。

III 几何结构与晶体取向可编程：实现尺寸、角度和晶面同步调控

该方法的核心优势不仅在于能够制备有序单晶异质结阵列，更在于可根据器件设计需求对阵列结构和晶体学取向进行定制化调控。

如图3所示，MAPbI₃像素尺寸与Parylene-C模板开口尺寸之间呈现良好的线性关系，说明像素大小可以通过模板开口直接调节。同时，不同尺寸像素均表现出较窄的尺寸分布，证明阵列具有较高均一性。

图3. MAPbBr₃/MAPbI₃单晶异质结阵列的几何尺寸、排列角度和晶体取向调控。

阵列旋转角同样可以通过调节模板开口相对于衬底晶轴的夹角来控制。当模板开口相对晶轴旋转45°时，最终得到的MAPbI₃像素也呈现相应的45°旋转排列。进一步地，研究团队通过向前驱体中加入DPSI或选用不同表面取向的MAPbI₃衬底，实现了对晶体习性和暴露晶面的调控。DPSI可促使像素形貌由金字塔状转变为更接近立方形；而(111)和(110)取向衬底则可分别诱导外延像素呈现相应的形貌与取向。

这些结果表明，该选择性外延生长策略同时具备几何图案和晶体学取向的双重可编程能力，为面向不同器件结构的单晶阵列设计提供了更高自由度。

IV 内建电场驱动载流子分离：实现零偏压弱光探测

在实现阵列可控生长的基础上，研究团队进一步制备了8 × 8像素的自供能光电探测器阵列。如图4所示，MAPbBr₃/MAPbI₃异质结形成Ⅱ型能带结构，界面处的内建电场能够促进光生电子-空穴对的分离与输运，使器件在无外加偏压条件下实现光响应。

图4. 基于MAPbBr₃/MAPbI₃单晶异质结阵列的自供能光电探测性能。

器件在0 V偏压下表现出稳定、可重复的光开关响应，并能在9 nW cm⁻²的超弱光强下保持可检测的光响应。其峰值响应度达到2.4 mA W⁻¹，在弱光条件下比探测率达到6.0×10¹¹ Jones。响应速度方面，器件上升时间为22 ms、下降时间为173 ms。此外，器件在连续开关测试7000 s后光电流仅衰减约10%；未封装器件在空气中放置四周后仍保持稳定开关行为，显示出良好的工作稳定性和环境稳定性。

V 从单像素响应到阵列成像：实现高均一性、低串扰图案重构

对于成像阵列而言，单像素灵敏度只是基础，像素间响应一致性和低串扰同样决定成像质量。如图5所示，研究团队利用掩膜将光图案投射到8 × 8器件阵列上，并将各像素光电流重构为二维图像。结果显示，64个像素的暗电流分布较为集中，平均值为32.96 ± 14.17 pA。在不同入射光强下，各像素光电流随光强同步增加，并保持较窄分布范围，说明阵列具有良好的响应均一性。

图5. 基于MAPbBr₃/MAPbI₃单晶异质结阵列的自供能成像演示。

为评估像素间串扰，研究团队选择性照亮同一行中的6个中心像素，并监测相邻未照明像素的电流变化。结果表明，受光像素的光电流随光强明显增加，而相邻暗像素的电流基本保持不变，说明即使器件构筑于连续衬底之上，相邻像素之间的电学串扰仍可忽略。进而，研究团队将“H”形光图案投射至8 × 8阵列，二维光电流映射结果显示，随着入射光强增加，图案轮廓逐渐清晰。在扩展至16 × 16像素阵列后，“圣诞树”图案也能够被准确重构。上述结果表明，选择性外延单晶异质结阵列不仅可用于高灵敏弱光探测，也具备发展为低功耗面阵成像器件的应用潜力。

VI 总结

本文针对钙钛矿单晶异质结阵列在大面积、均一化和取向可控制备方面面临的挑战，提出了一种选择性外延生长策略。该方法将Parylene-C图案化模板的空间限域作用与单晶衬底的外延取向约束相结合，实现了异质结像素尺寸、排列角度和晶面取向的精确调控。

基于该策略制备的MAPbCl₃/MAPbBr₃和MAPbBr₃/MAPbI₃单晶异质结阵列具有有序的像素排列、清晰的界面组分过渡和较高的晶体质量。通过调节模板开口、模板旋转角、前驱体添加剂及衬底晶面，研究进一步验证了该方法在阵列几何结构和晶体学属性调控方面的普适性。

在器件应用方面，基于上述单晶异质结阵列构筑的自供能光电探测器可在0 V偏压下工作，表现出9 nW cm⁻²的弱光探测限、6.0×10¹¹ Jones的比探测率、较快的响应速度及良好的长期稳定性。同时，器件阵列能够实现不同光强下的图案成像，并保持较低的像素间串扰。

总体而言，该工作将模板限域外延生长、单晶异质结阵列构筑与自供能光电探测器集成相结合，为钙钛矿单晶阵列的可控制备及其在高性能光电探测、低功耗成像和集成光电系统中的应用提供了新的材料与器件基础。

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