長春光機所等在鈣鈦礦單晶場效應電晶體方面取得進展

2020-11-30 中國科學院

　　近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所郭春雷中美聯合光子實驗室與阿卜杜拉國王科技大學（沙特）、北卡羅來納大學教堂山分校（美國）等單位合作在製備基於鈣鈦礦的場效應電晶體方面取得新進展。

　　在過去的十年中，有機-無機雜化鈣鈦礦在光伏、光電探測、發光等領域的研究獲得巨大進展。然而，利用鈣鈦礦材料製備經典的器件——場效應電晶體（FET）仍然存在很大挑戰。主要原因在於電晶體中載流子在橫向和界面的傳輸特別容易受到鈣鈦礦多晶薄膜晶面狀態和晶粒中普遍存在的缺陷的影響。基於此，郭春雷中美聯合光子實驗室副研究員於偉利、現澳大利亞雪梨大學博士李峰和瑞典查爾姆斯理工大學博士於立揚等人採用了一種空間限域反溫度結晶的方法，合成了具有亞納米表面粗糙度和極低表面缺陷的甲基銨滷化鉛鈣鈦礦MAPbX3(X=Cl，Br，I)薄單晶，並採用這些薄單晶製備了高效FET，研究了其載流子傳輸性質。

　　製備了基於MAPbX3(X=Cl，Br和I)雜化鈣鈦礦單晶的高性能FET器件，包括底柵頂接觸（BGTC）和底柵底接觸（BGBC）兩種器件構型。在實驗中發現：限制晶體生長方向對於將雜化鈣鈦礦單晶集成到FET器件中至關重要。在反溫度結晶過程中的空間限域產生了超光滑的頂面和底面形貌，沒有明顯的晶粒界疇以及通常在自由生長的晶體和多晶薄膜中觀察到的任何其他波紋，在雜化鈣鈦礦多晶薄膜常見的形態缺陷和表面經常發現的化學雜質也得到了明顯的控制。這種方法還消除了多晶薄膜中常見的晶界（已知晶界是隧道結形成引起的橫向傳輸阻力的來源）。通過垂直限制，晶體傾向橫向生長，使它們達到毫米級或更大，並且易於橋接。半導體/電介質界面具有強附著力和良好的電接觸。在室溫下容易實現103-105範圍的開/關比。此外，器件顯示出低的閾值電壓：在BGTC低於5V，在BGBC器件中低於2V。總的來說，跨不同滷化物和器件結構的最大室溫空穴(電子)遷移率範圍為2.6至4.7 (0.26至2.2) cm2 V-1s-1，平均空穴(電子)遷移率在1.5至2.9 (0.19至1.3) cm2 V-1s-1範圍內，顯著優於迄今報導過的基於薄膜的MAPbI3 FET器件。總的來說，這項工作證明了通過垂直限域技術生長滷化物鈣鈦礦薄單晶並利用其製備FET器件的可行性，使得雜化鈣鈦礦成為一個可行的平臺印刷材料和透明電子材料。

　　該成果發表在《自然-通訊》雜誌上（Nature Communications，2018, 9 (1), 5354），於偉利為第一作者，李峰和於立揚為共同第一作者。

　　該工作得到國家自然科學基金面上項目（61705227）的支持。

　　論文連結

 

長春光機所等在鈣鈦礦單晶場效應電晶體方面取得進展

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　　製備了基於MAPbX3(X=Cl，Br和I)雜化鈣鈦礦單晶的高性能FET器件，包括底柵頂接觸（BGTC）和底柵底接觸（BGBC）兩種器件構型。在實驗中發現：限制晶體生長方向對於將雜化鈣鈦礦單晶集成到FET器件中至關重要。在反溫度結晶過程中的空間限域產生了超光滑的頂面和底面形貌，沒有明顯的晶粒界疇以及通常在自由生長的晶體和多晶薄膜中觀察到的任何其他波紋，在雜化鈣鈦礦多晶薄膜常見的形態缺陷和表面經常發現的化學雜質也得到了明顯的控制。這種方法還消除了多晶薄膜中常見的晶界（已知晶界是隧道結形成引起的橫向傳輸阻力的來源）。通過垂直限制，晶體傾向橫向生長，使它們達到毫米級或更大，並且易於橋接。半導體/電介質界面具有強附著力和良好的電接觸。在室溫下容易實現103-105範圍的開/關比。此外，器件顯示出低的閾值電壓：在BGTC低於5V，在BGBC器件中低於2V。總的來說，跨不同滷化物和器件結構的最大室溫空穴(電子)遷移率範圍為2.6至4.7 (0.26至2.2) cm2 V-1s-1，平均空穴(電子)遷移率在1.5至2.9 (0.19至1.3) cm2 V-1s-1範圍內，顯著優於迄今報導過的基於薄膜的MAPbI3 FET器件。總的來說，這項工作證明了通過垂直限域技術生長滷化物鈣鈦礦薄單晶並利用其製備FET器件的可行性，使得雜化鈣鈦礦成為一個可行的平臺印刷材料和透明電子材料。
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