高性能集成光电元器件是关乎国家高新技术持续发展的核心，其中半导体单晶材料和制备技术是高性能光电元器件的核心关键材料和卡脖子技术。铅卤钙钛矿在太阳电池、发光、高灵敏光探测和高能射线成像等领域均展示出杰出的性能，是新一代战略性半导体材料。然而，大尺寸晶体生长理论及加工技术的空缺是限制钙钛矿材料在集成电路中应用的瓶颈。本项目围绕上述瓶颈中的科学与技术问题，开展了钙钛矿成核机理研究，提出了前驱体团簇解离过程主导的钙钛矿单晶生长理论；创建了升温反应析晶、限域生长、边缘诱导结晶及原位钝化单晶切割策略，获得了世界最大尺寸钙钛矿单晶及柔性单晶薄膜，研制了性能优异的大面积钙钛矿单晶集成光电器件，取得了多项原创性成果。

1. 提出了大尺寸高质量钙钛矿单晶生长理论。阐明了钙钛矿晶体低温成核热力学和生长动力学机理，揭示了溶剂极性与卤化物络合强度对前驱体离子团簇解离平衡的影响规律，提出了团簇解离和络合调控协同成核的单晶生长理论，创建了低温-低梯度升温反应析晶策略，解决了大尺寸钙钛矿单晶生长中的微区性质不一致性难题，获得了迄今全球最大尺寸(边长大于120毫米)钙钛矿单晶，为大尺寸钙钛矿单晶器件规模化应用奠定了基础。

2. 研发了钙钛矿单晶薄片制备及器件集成技术。研制了集原位表面钝化、冷却、润滑于一体的大尺寸钙钛矿单晶切割液，有效解决了单晶切割中晶面化学损伤和机械损伤难题，获得了5英寸大面积钙钛矿单晶薄片；研发了与钙钛矿单晶薄片直接生长匹配的传质传热工艺技术及装置，解决了传质传热非线性涨落极易触发单晶薄片异化生长难题，获得了规模化极低缺陷钙钛矿单晶薄片直接生长；制备了集成型光电探测器，实现了优异光探测成像，为发展大面积钙钛矿集成光电器件奠定了材料和技术基础。

3. 解决了高灵敏柔性单晶薄膜探测器可控制备难题。揭示了钙钛矿晶体成核和单晶生长最佳温度-浓度相区的选择机制，建立了边缘热诱导单晶持续生长策略，突破了钙钛矿易随机成核及各向同性生长固有特性带来的难以获取大面积单晶薄膜难题，实现了大面积柔性钙钛矿单晶薄膜的可控制备，获得了高性能柔性钙钛矿单晶探测器，开创了钙钛矿单晶薄膜高灵敏探测材料新热点领域。

本项目实现了大尺寸钙钛矿单晶生长及大面积单晶探测器成像，系列研究成果先后在《Advanced Materials》、《Nature Communications》、《Science China Chemistry》、《Physical Review X》等半导体材料和光电器件领域顶级学术期刊发表论文40余篇，申请授权国家发明专利10余项。研究的单晶生长方法和器件制备策略得到了同行专家的高度认可，并被多次采用，其中5篇代表性论文总他引1345次，单篇最多他引715次，产生了广泛的学术影响。应邀在《Advanced Energy Materials》、《Advanced Science》等杂志撰写单晶钙钛矿综述论文。代表性论文1入选高被引论文，代表性论文3被《中国科学•化学》评选为“2017年度优秀论文” 。完成人刘生忠教授、杨周副教授连续多年入选全球高被引科学家榜单。同时，有大量国内外媒体对团队工作进行了跟踪报道。Discovery（美国探索频道）、China International Communication Center(CICC，五洲传播中心)和Bilibili三家公司联合在团队拍摄了纪录片，已在国内外发行。依托多项原创性研究成果，正与陕西省秦创原、中国核能电力股份有限公司、阿联酋大学、西安宝莱特光电科技有限公司等共同进行成果转化。