晶體是物質在一定條件下存在的結構最完美和熱力學最穩定狀態，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的單晶成為許多高科技應用的基石，例如基于單晶硅片制備邏輯和存儲芯片，以及噴氣式發動機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化的媒介，已經成為信息技術時代的基礎材料。
隨著功能器件向微型化和柔性化的發展需求,一系列新興功能材料的微/納米級晶體成為構建新一代功能器件的材料基礎。然而，前期開發的成熟的體塊單晶生長技術，例如提拉法和助熔劑法等，很難用于低維和有機分子材料，同時也不足以實現微/納米晶體的大規模生產。長久以來，實驗室對新型低維材料的研究依賴于機械剝離、溶液法和化學/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。
山東大學劉陽、陶緒堂教授團隊開發了一種用于生長尺寸可控單晶的普適性、高產率的新型方法，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，配合可調節的壓縮生長空間，可以將各種有機、無機材料生長成大小、厚度均可控的單晶薄片，原料利用率接近100 %，單次生長可達數百萬片。該工作以“Polymer‐Assisted Compressed Flux Growth: A Universal and High‐Yield Method for Dimension‐Controlled Single Crystals”為題發表在《先進材料》上（Adv. Mater. 2023）。文章第一作者是北京工業大學助理研究員葛超和山東大學鄭曉鑫博士，該研究工作得到了國家自然科學基金委、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：
壓片助熔劑法(CFG)具備多種優點，包括:
(i)CFG適用于多種材料(包括有機半導體、藥物、無機鹽、金屬有機配合物等)的晶體生長，具有普適性。即使是溶解度低、穩定性差、結晶能力差的材料(如并五苯、DNTT和spiro-OMeTAD等)，也可以生長成高質量的單晶; 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，以適應不同種類的晶體生長。
(ii)CFG能夠克服晶體本征習性和尺寸的影響，生長的準二維晶片橫向尺寸和厚度均可調節，厚度從幾十納米到幾百納米不等；并且由于準均相成核和擴散限制生長機制，晶體尺寸具有較窄的分布范圍。
(iii)CFG可以實現大批量均勻低維晶體的生長，單次生長每平方厘米可產出數十萬個單晶薄片；而且由于聚合物助熔劑與溶質特殊的互溶性（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英寸場效應晶體管陣列證實了大規模器件集成的可行性。這種方法為大規模集成微/納單晶功能器件提供了一種全新的生產策略。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202210685
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