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  晶體是物質(zhì)在一定條件下存在的結(jié)構(gòu)最完美和熱力學(xué)最穩(wěn)定狀態(tài)，可以最大限度地反映材料的本征和極限性能。因此將材料制備成合適形態(tài)的單晶成為許多高科技應(yīng)用的基石，例如基于單晶硅片制備邏輯和存儲芯片，以及噴氣式發(fā)動機(jī)所用的單晶合金渦輪葉片。功能晶體作為光、電、聲、磁、力、熱等各種能量形式轉(zhuǎn)化的媒介，已經(jīng)成為信息技術(shù)時代的基礎(chǔ)材料。  

  隨著功能器件向微型化和柔性化的發(fā)展需求,一系列新興功能材料的微/納米級晶體成為構(gòu)建新一代功能器件的材料基礎(chǔ)。然而，前期開發(fā)的成熟的體塊單晶生長技術(shù)，例如提拉法和助熔劑法等，很難用于低維和有機(jī)分子材料，同時也不足以實現(xiàn)微/納米晶體的大規(guī)模生產(chǎn)。長久以來，實驗室對新型低維材料的研究依賴于機(jī)械剝離、溶液法和化學(xué)/物理氣相沉積等方法，這些方法在效率、可控性和適用性等方面存在諸多限制，因此發(fā)展高效、可控的低維晶體新型生長方法成為這些新型器件實用化的前提。

  山東大學(xué)劉陽、陶緒堂教授團(tuán)隊開發(fā)了一種用于生長尺寸可控單晶的普適性、高產(chǎn)率的新型方法，這種方法被稱作壓片助熔劑法(Compressed Flux Growth，CFG)。通過巧妙地利用聚合物(如聚二甲基硅氧烷和聚乙二醇等)作為晶體生長的助熔劑，配合可調(diào)節(jié)的壓縮生長空間，可以將各種有機(jī)、無機(jī)材料生長成大小、厚度均可控的單晶薄片，原料利用率接近100 %，單次生長可達(dá)數(shù)百萬片。該工作以“Polymer‐Assisted Compressed Flux Growth: A Universal and High‐Yield Method for Dimension‐Controlled Single Crystals”為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》上（Adv. Mater. 2023）。文章第一作者是北京工業(yè)大學(xué)助理研究員葛超和山東大學(xué)鄭曉鑫博士，該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、晶體材料國家重點實驗室、山東省杰出青年基金和國家重點研發(fā)計劃的大力資助。

圖1. 壓片助熔劑法生長并五苯單晶薄片，硅油作為聚合物助熔劑。 圖片來源：Adv. Mater.

圖2. 壓片助熔劑法不同聚合物助熔劑的采用以及生長晶體的普適性。圖片來源：Adv. Mater.

小結(jié)：

  壓片助熔劑法(CFG)具備多種優(yōu)點，包括:

  (i)CFG適用于多種材料(包括有機(jī)半導(dǎo)體、藥物、無機(jī)鹽、金屬有機(jī)配合物等)的晶體生長，具有普適性。即使是溶解度低、穩(wěn)定性差、結(jié)晶能力差的材料(如并五苯、DNTT和spiro-OMeTAD等)，也可以生長成高質(zhì)量的單晶; 同時，助熔劑的選擇范圍廣，常見的聚合物如硅油、聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇雙(2-氨基丙醚)(PEA)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚偏氟乙烯(PVDF)等都可作為CFG的助熔劑，以適應(yīng)不同種類的晶體生長。

  (ii)CFG能夠克服晶體本征習(xí)性和尺寸的影響，生長的準(zhǔn)二維晶片橫向尺寸和厚度均可調(diào)節(jié)，厚度從幾十納米到幾百納米不等；并且由于準(zhǔn)均相成核和擴(kuò)散限制生長機(jī)制，晶體尺寸具有較窄的分布范圍。

  (iii)CFG可以實現(xiàn)大批量均勻低維晶體的生長，單次生長每平方厘米可產(chǎn)出數(shù)十萬個單晶薄片；而且由于聚合物助熔劑與溶質(zhì)特殊的互溶性（低溫下不溶，熔點附近高度互溶），原料利用率接近100 %。

  (iv)CFG生成的單晶薄片可通過制成打印油墨等方式，直接集成到電子器件中，演示的 5英寸場效應(yīng)晶體管陣列證實了大規(guī)模器件集成的可行性。這種方法為大規(guī)模集成微/納單晶功能器件提供了一種全新的生產(chǎn)策略。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202210685

  下載：Polymer‐Assisted Compressed Flux Growth: A Universal and High‐Yield Method for Dimension‐Controlled Single Crystals