北京大學物理學院“極端光學創(chuàng)新研究團隊”的朱瑞研究員和龔旗煌院士等，針對鈣鈦礦材料從前驅(qū)液到多晶薄膜的結(jié)晶動力學和形貌演變過程進行了深入研究。該工作結(jié)合基于同步輻射的掠入射X射線衍射(GIXD)和傅立葉變換紅外光譜等先進的表征技術(shù)，對鈣鈦礦材料從前驅(qū)液到多晶薄膜進行原位實時探測，在結(jié)構(gòu)變化上提出了“納米中間體組裝模型”，在分子或者納米尺度下研究鈣鈦礦的結(jié)晶和生長機理。同時調(diào)控鈣鈦礦結(jié)晶過程中的溫度和時間等參數(shù)，多維度研究印刷鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學。

在介觀尺度的薄膜形貌上，研究團隊利用基于復(fù)合光學顯微鏡的原位加熱實驗，觀察一步法鈣鈦礦薄膜的形成過程，建立“結(jié)晶-耗盡”物理模型，闡述周期性環(huán)帶鈣鈦礦薄膜形貌的形成機制。本研究全面報道了鈣鈦礦材料從分子層面的結(jié)晶生長到介觀尺度上的薄膜形貌。此外，研究者也對印刷鈣鈦礦太陽能電池進行了優(yōu)化和表征，獲得了與傳統(tǒng)旋涂方法相當?shù)钠骷怆娦阅?，對鈣鈦礦太陽能電池從實驗室研究到工業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化進行了積極的探索，具有一定的實際意義。

該研究工作發(fā)表在《自然通訊》雜志(Nat. Commun. 2017, 8, 15688)上。朱瑞研究員課題組的博士生胡芹和趙麗宸為該文章的共同第一作者。此研究是與美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Thomas P. Russell教授和劉烽博士、英國薩里大學的張偉博士等合作展開的。該工作得到中國國家自然科學基金委、科技部、北京大學人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、“極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心”“2011計劃”量子物質(zhì)科學協(xié)同創(chuàng)新中心、“青年千人計劃”和美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)等單位的支持。

(a)印刷鈣鈦礦從前驅(qū)液到多晶薄膜轉(zhuǎn)換過程中不同階段的GIXD二維衍射圖;(b)鈣鈦礦結(jié)晶的納米中間體組裝模型;(c)印刷薄膜的形貌顯微鏡圖;(d)周期性“結(jié)晶-耗盡”物理模型示意圖。