基于鈣鈦礦的場效應(yīng)晶體管的研究現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的進(jìn)步，科技的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來越大，而現(xiàn)有的能源有限，需要人們不斷發(fā)展新能源，而光能就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，人們開始大力發(fā)展太陽能發(fā)電。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所郭春雷中美聯(lián)合光子實(shí)驗(yàn)室與阿卜杜拉國王科技大學(xué)(沙特)、北卡羅來納大學(xué)教堂山分校(美國)等單位合作在制備基于鈣鈦礦的場效應(yīng)晶體管方面取得新進(jìn)展。

某柔性鈣鈦礦太陽能電池

在過去的十年中，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦在光伏、光電探測(cè)、發(fā)光等領(lǐng)域的研究獲得巨大進(jìn)展。然而，利用鈣鈦礦材料制備經(jīng)典的器件——場效應(yīng)晶體管(FET)仍然存在很大挑戰(zhàn)。主要原因在于晶體管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(tài)和晶粒中普遍存在的缺陷的影響。

基于此，郭春雷中美聯(lián)合光子實(shí)驗(yàn)室副研究員于偉利、現(xiàn)澳大利亞悉尼大學(xué)博士李峰和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)博士于立揚(yáng)等人采用了一種空間限域反溫度結(jié)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鹵化鉛鈣鈦礦MAPbX3(X=Cl，Br，I)薄單晶，并采用這些薄單晶制備了高效FET，研究了其載流子傳輸性質(zhì)。

制備了基于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(gòu)型。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：限制晶體生長方向?qū)τ趯㈦s化鈣鈦礦單晶集成到FET器件中至關(guān)重要。在反溫度結(jié)晶過程中的空間限域產(chǎn)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(tài)缺陷和表面經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的化學(xué)雜質(zhì)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(jié)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(dá)到毫米級(jí)或更大，并且易于橋接。

半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面具有強(qiáng)附著力和良好的電接觸。在室溫下容易實(shí)現(xiàn)103-105范圍的開/關(guān)比。此外，器件顯示出低的閾值電壓：在BGTC低于5V，在BGBC器件中低于2V。總的來說，跨不同鹵化物和器件結(jié)構(gòu)的最大室溫空穴(電子)遷移率范圍為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范圍內(nèi)，顯著優(yōu)于迄今報(bào)道過的基于薄膜的MAPbI3 FET器件。

總的來說，這項(xiàng)工作證明了通過垂直限域技術(shù)生長鹵化物鈣鈦礦薄單晶并利用其制備FET器件的可行性，使得雜化鈣鈦礦成為一個(gè)可行的平臺(tái)印刷材料和透明電子材料。如果某一天人們能高效利用太陽能，相信能解決很大的能源問題，畢竟太陽能是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，能保證人類的永續(xù)發(fā)展，需要我們科研人員更加努力。