北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室陈志坚、肖立新教授课题组与合作者利用非铅三维钙钛矿Cs2AgBiBr6诱导二维钙钛矿Cs3Bi2X9定向外延生长，获得晶粒尺寸大且结晶取向高度一致的多晶薄膜，实现性能达到类单晶水平的非铅钙钛矿光探测器。相关研究成果以“通过同源晶格外延策略制备高度取向的大晶粒尺寸的二维Cs3Bi2X9多晶薄膜用于光探测”（Highly Oriented Large-grain 2D Cs3Bi2X9 Polycrystalline Films by Isogenous-lattice Homoepitaxy Strategy for Photodetection）为题，于2025年2月27日在线发表在《纳米快报》（Nano Letters ）。
由于铅的毒性，基于铋（Bi）和锑（Sb）的低维非铅钙钛矿如A3B2X9 (B = Bi或Sb)作为可能的替代品引起了越来越多的关注。基于研究团队前期研究工作(Chemical Society Reviews,2024,53,1769-1788)，针对非铅钙钛矿A3B2X9 ，通过元素掺杂可改变其结构维度而获得更高的载流子传输能力。然而，A3B2X9 钙钛矿成膜过程难以控制，对于如何提高低维A3B2X9 钙钛矿的结晶质量还缺乏全面的研究。
针对上述科学难题，研究团队借助于3D Cs2AgBiBr6和2D Cs3Bi2X9之间的结构同源性，开创性地采用结晶有序的3D Cs2AgBiBr6诱导2D Cs3Bi2X9定向外延生长。3D Cs2AgBiBr6前体的加入使得2D Cs3Bi2X9结晶更为有序，同时结晶过程中的卤素交换过程显著延缓，进而获得平均尺寸超过1μm，晶体取向高度一致的多晶薄膜（图1）。在紫外光下的探测度达到1.06 × 1012 Jones，与单晶器件的性能相当。该方法克服了低维非铅钙钛矿结晶质量较低的问题，为这些材料在先进光电器件中的应用提供了有价值的见解。这种独特而直接的方法也为其他材料的高质量多晶薄膜的快速制备提供了指导。
图1：a) Cs3Bi2Br9和Cs2AgBiBr6的晶体结构以及同源诱导生长示意图。b) 及d）对照及目标组薄膜的SEM图像。c)及e)对照及目标组薄膜的GIWAXS谱图。f) 对照组和目标组光电探测器的响应度和探测度。g) 本研究光电探测器与已有报道的光电探测器的探测度比较。
北京大学物理学院2021级博士生王涵韬为该论文的第一作者；2024年北京大学物理学院博士毕业生邹瑜（现在为上海交大博士后），北京大学物理学院博士后俞文锦、陈志坚教授、肖立新教授为该论文的共同通讯作者。其他主要合作者包括北京大学博士后李亮、吕国伟研究员、高宇南研究员、曲波副教授等。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及人工微结构和介观物理全国重点实验室的支持。