【材料】山东大学刘阳、陶绪堂课题组Advanced Materials｜压片助熔剂法：一种生长功能晶体的通用高产方法

导语

晶体是物质在一定条件下存在的结构最完美和热力学最稳定状态，可以最大限度地反映材料的本征和极限性能。因此，将材料制备成合适形态的单晶成为许多高科技应用的基石，例如基于单晶硅片制备逻辑和存储芯片以及喷气式发动机所用的单晶合金涡轮叶片。功能晶体作为光、电、声、磁、力、热等各种能量形式转化的媒介，已经成为信息技术时代的基础材料。
山东大学刘阳、陶绪堂教授团队开发了一种用于生长尺寸可控单晶的普适性、高产率的新型方法，这种方法被称作压片助熔剂法（Compressed Flux Growth，CFG）。通过巧妙地利用聚合物（如聚二甲基硅氧烷和聚乙二醇等）作为晶体生长的助熔剂，配合可调节的压缩生长空间，可以将各种有机、无机材料生长成大小、厚度均可控的单晶薄片，原料利用率接近100%，单次生长可达数百万片。相关研究成果在线发表于Advanced Materials（Adv. Mater. 2023. DOI: 10.1002/adma.202210685）。

前沿科研成果

压片助熔剂法——一种生长功能晶体的通用高产方法

随着功能器件向微型化和柔性化的发展需求,一系列新兴功能材料的微/纳米级晶体成为构建新一代功能器件的材料基础。然而，前期开发的成熟的体块单晶生长技术，例如提拉法和助熔剂法等，很难用于低维和有机分子材料，同时也不足以实现微/纳米晶体的大规模生产。长久以来，实验室对新型低维材料的研究依赖于机械剥离、溶液法和化学/物理气相沉积等方法，这些方法在效率、可控性和适用性等方面存在诸多限制，因此发展高效、可控的低维晶体新型生长方法成为这些新型器件实用化的前提。
基于此，山东大学刘阳、陶绪堂教授团队提出了一种新型的压片助熔剂方法，通过引入聚合物助熔剂和施加于生长衬底上的压力，不仅可以克服传统气相和溶液方法的诸多限制，还能在保证晶体质量的前提下，实现晶体的尺寸控制以及微单晶的大规模生产。
图1. 压片助熔剂法生长并五苯单晶薄片，硅油作为聚合物助熔剂。（图片来源：Adv. Mater.） 图2. 生长参数对单晶薄片尺寸和生产率的影响及单晶薄片到电子器件的集成。（图片来源：Adv. Mater.）
图3. 压片助熔剂法采用的不同聚合物助熔剂及生长晶体的普适性。（图片来源：Adv. Mater.）

总结

压片助熔剂法具有多种优点，包括:(i) CFG适用于多种材料（包括有机半导体、药物、无机盐、金属有机配合物等）的晶体生长，具有普适性。即使是溶解度低、稳定性差、结晶能力差的材料（如并五苯、DNTT和spiro-OMeTAD等），也可以生长成高质量的单晶; 同时，助熔剂的选择范围广，常见的聚合物如硅油、聚乙二醇（PEG）、聚丙二醇双(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）等都可作为CFG的助熔剂，以适应不同种类的晶体生长。(ii) CFG能够克服晶体本征习性和尺寸的影响，生长的准二维晶片横向尺寸和厚度均可调节，厚度从几十纳米到几百纳米不等；并且由于准均相成核和扩散限制生长机制，晶体尺寸具有较窄的分布范围。(iii) CFG可以实现大批量均匀低维晶体的生长，单次生长每平方厘米可产出数十万个单晶薄片；而且由于聚合物助熔剂与溶质特殊的互溶性（低温下不溶，熔点附近高度互溶），原料利用率接近100 %。(iv) CFG生成的单晶薄片可通过制成打印油墨等方式，直接集成到电子器件中，演示的 5英寸场效应晶体管阵列证实了大规模器件集成的可行性。这种方法为大规模微/纳单晶集成功能器件提供了一种全新的生产策略。
该工作近期发表在《先进材料》上（Adv. Mater. 2023. DOI: 10.1002/adma.202210685），该论文第一作者为北京工业大学激光工程研究院助理研究员葛超和山东大学郑晓鑫博士，山东大学晶体材料国家重点实验室刘阳教授、陶绪堂教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、晶体材料国家重点实验室、山东省杰出青年基金和国家重点研发计划的大力资助。

教授简介

刘阳（ 1979—），山东大学教授、博士生导师。2003年毕业于山东大学材料学院，获工学学士学位，2008年于山东大学晶体所获工学博士学位，2008年至2011年于香港科技大学唐本忠院士组从事博士后研究，2011年入职山东大学。齐鲁青年学者、仲英学者，山东省杰出青年基金获得者。主要研究方向为有机功能晶体及新型晶体生长方法。近五年主持三项国家基金委面上项目、山东省杰出青年基金及国防项目等多项课题。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nature Communications等期刊发表论文70余篇，引用6300余次，H因子33，授权美国专利2项，任《人工晶体学报》青年编委。多项研究成果被美国化学会Noteworthy Chemistry、Cutting-Edge Chemistry、ACS Editors'Choice、Nature-Asia Material、C＆EN、香港信报等专题报道。开发的微距升华、压片助熔剂和恒温定速反溶剂等晶体生长方法被国际众多课题组采用，研发的多种材料已实现商业化和装备预研应用。

陶绪堂（1962—），江西省人，山东大学讲席教授、博士生导师。1995年获日本东京农工大学工学博士学位。获2003年度国家杰出青年基金，作为学术带头人获2007年基金委创新研究群体基金并获得二次延续资助。任山东大学晶体材料研究所所长，晶体材料国家重点实验室主任。兼任中国硅酸盐学会理事，中国晶体学会理事，中国硅酸盐学会晶体生长专业委员会副主任，《人工晶体学报》副主编，中国物理学会固体缺陷专业委员会副主任，第六、七届教育部科学技术委员会交叉学部委员。江大学硅材料国家重点实验室、中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室学术委员。发表学术论文400余篇，研究成果曾被美国的 Chem＆Eng News、英国的Chemistry＆Industry、美国化学会、Nature Asia等报道。连续四年（2014—2017）入选爱思唯尔中国高被引学者（Most Cited Chinese Researchers）榜单。

关于人物与科研

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