萊斯大學領導的一項研究透過控制動態結晶成功地解決了二維鹵化物包晶合成的瓶頸問題。近年來，太陽能電池效率的提高在很大程度上得益於光收集材料（如鹵化物包晶）的使用。然而，持續大規模地生產這些材料仍然是一項複雜的任務。

萊斯大學工程師與合作者開發的一種製程透過對結晶過程的動態控制，產生了具有理想厚度和純度的二維鹵化物包晶晶體層–這是確保光電子和光伏設備穩定性的關鍵一步。圖片來源：Jeff Fitlow 攝影/萊斯大學

萊斯大學化學和生物分子工程師阿迪提亞-莫希特（Aditya Mohite）與西北大學、賓夕法尼亞大學和雷恩大學的合作者共同開發了一種工藝，透過控制結晶過程的溫度和持續時間，可以獲得厚度和純度都非常理想的二維光致發光半導體層。

李文斌是萊斯大學的研究生，也是發表在《自然-合成》上的一項研究的合著者。圖片來源：Jeff Fitlow 攝影/萊斯大學

這個過程被稱為動力學控制空間約束，它有助於提高基於鹵化物包晶的新興技術（如光電子和光伏）的穩定性並降低其成本。

克服合成瓶頸

萊斯大學喬治-R-布朗工程學院的博士生侯瑾（音譯）說：”生產層厚（或量子阱厚度，也稱為’n 值’）大於2 的二維包晶是一個主要瓶頸， “他是發表在《自然-合成》（Nature Synthesis）上有關此工藝研究的第一作者。n 值大於4 表示材料具有更窄的帶隙和更高的導電性–這是應用於電子設備的關鍵因素。

原子或分子在形成晶體時，會排列成高度有序的規則晶格。例如，冰就有18 種可能的原子排列或相。與冰中的氫原子和氧原子一樣，構成鹵化物包晶的粒子也可以形成多種晶格排列。由於材料特性與相有關，科學家的目標是合成自始至終只表現出一種相的二維鹵化物包晶層。但問題在於，高n 值二維包晶的傳統合成方法會導致晶體生長不均勻，進而影響材料的性能可靠性。

Aditya Mohite 是化學與生物分子工程系副教授，同時也是萊斯能源轉型與永續發展工程計劃（REINVENTS）的系主任。圖片來源：Aditya Mohite/萊斯大學提供

侯說：”在傳統的二維包晶合成方法中，由於缺乏對結晶動力學的控制，你會得到具有混合相的晶體，而結晶動力學基本上就是溫度和時間之間的動態相互作用。我們設計了一種方法來減慢結晶速度，並逐步調整每個動力學參數，以達到純相合成的最佳狀態。”

除了設計出一種能夠實現二維鹵化物包晶石n 值逐漸增加的合成方法外，研究人員還透過表徵、光學光譜學和機器學習繪製了該過程的圖譜（或相圖）。

侯瑾是萊斯大學的研究生，也是發表在《自然-合成》（Nature Synthesis）上的一項研究的第一作者。

這項工作推動了高量子阱二維包覆晶石合成的發展，使其成為多種應用的可行且穩定的選擇。

化學與生物分子工程和材料科學與奈米工程副教授莫希特說：”我們開發了一種提高晶體純度的新方法，解決了該領域一個長期存在的問題，即如何接近高n值、相純的晶體合成。莫希特的實驗室開創了提高鹵化物包晶半導體品質和性能的各種方法，從結晶初始階段的校準到溶劑設計的微調。”

這項研究突破對於合成二維包晶至關重要，二維包晶是實現太陽能電池商業相關穩定性、許多其他光電設備應用和基本光-物質相互作用的關鍵。

編譯自：ScitechDaily