基于铁电调控有机无机杂化二维钙钛矿光电场效应管研究

发布时间：2020-03-30 18:03

【摘要】：近年来有机无机杂化钙钛矿材料因为其独特的光学和电学特性以及相对简便的制备工艺受到广泛关注。钙钛矿材料作为一种新型半导体材料已经在太阳能电池领域取得了巨大成功,其光电转换效率已经从2009年的3.8%提升到目前大于23.7%。在太阳能电池领域的突破也带动了该材料作为一种新型半导体在其他光电器件领域的应用。因为其较好的光吸收系数,载流子迁移率和简单的制备工艺,大量研究者的目光投向使用有机无机杂化钙钛矿材料来制作高性能,大面积的光电场效应晶体管。和研究较多的三维有机无机杂化钙钛矿相比,二维有机无机杂化钙钛矿拥有独特的范德华力堆叠的层状结构,这种结构使其具有相对较好的横向导电性和稳定性,目前关于二维钙钛矿的光电场效应管光电特性的研究非常有限。本论文首先对铁电薄膜poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE))和新型二维钙钛矿材料(C_6H_5C_2H_4NH_3)_2SnI_4((PEA)_2SnI_4)进行了系统的光学和电学的材料表征。然后使用铁电薄膜作为栅介质层,制作以新型二维钙钛矿材料为沟道的场效应晶体管,研究了在铁电场作用下,二维钙钛矿场效应管独特的光学和电学特性。相关的光电测试和材料分析表征得到结论如下:1.二维钙钛矿光电场效应管的电学特性增强:在这个工作中,我们以新型二维钙钛矿材料作为沟道,分别制备了以二氧化硅薄膜为背栅的传统晶体管和以铁电薄膜P(VDF-TrFE)为背栅的铁电场效应晶体管,作为对比。通过系统的研究器件的转移特性曲线和输出特性曲线,发现由于二维钙钛矿材料本身的缺陷态,使其在传统二氧化硅氧化物薄膜栅介质上的转移特性曲线有较大的滞回,不利于其在高速器件领域的应用。在铁电薄膜的器件中,通过铁电局域极化电场的作用,使转移特性曲线的滞回(hysteresis)被明显的减少,亚阈值摆幅由氧化物薄膜器件的6250 mV dec~(-1)下降到440.5 mV dec~(-1),亚阈值摆幅的降低意味着器件可以拥有更快的开关速度。另外在铁电局域极化电场的作用下,器件的转移特性曲线还表现出了更高的开关比,接近10的5次方。通过分析转移特性曲线,得到在铁电栅介质的器件中,载流子迁移率可以达到0.04 cm~2 V~(-1) s~(-1)。这项工作对进一步研究新型钙钛矿材料在铁电作用下电学输运特性具有重要参考意义。2.二维钙钛矿光电探测器光学性能增强:这里我们系统研究了在铁电栅介质不同极化状态下,二维钙钛矿光电探测器的光电探测性能的变化。通过场效应管器件的转移特性曲线和输出特性曲线,验证了(PEA)_2SnI_4为P型半导体。通过栅压使铁电薄膜的极化方向向下时,沟道处于载流子积累状态,载流子浓度升高,较高的载流子浓度弥补了缺陷的阻碍作用,从而使器件的响应速度得到提升。光电流上升沿和下降沿的最快速度分别可以达到50 ms和1.5 s。通过栅压使铁电薄膜的极化方向向上时,沟道为耗尽状态,载流子浓度被大幅降低,暗电流随之降低。由于暗电流的有效抑制,使器件在这种极化状态下有较高的光开关比,光开关比达到100。同时,由于暗电流的减小,使器件的响应灵敏度变高,在470nm单色光照射下,响应度R达到14.57 A W~(-1),探测率D*达到1.74 x 10~(12) Jones,器件参数在同类材料中达到领先水平。这项工作研究了铁电极化作用对二维钙钛矿光电探测器性能提升的影响,和传统钝化,掺杂等手段提升器件性能有所区别,为进一步改善钙钛矿材料光电探测器性能提供了一个新维度。
【图文】：

基于铁电调控有机无机杂化二维钙钛矿光电场效应管研究导体材料目前还被应用于光电探测器，场效应晶体管，湿度探测器等光电器件来进行进一步的探索和发掘，这种材料对未来新一代光电器件的研制具有重要义。1.1.2 有机无机杂化钙钛矿结构变化对于常见的有机无机杂化钙钛矿材料来说，大都可用 ABX3的通式来表A 位置为一个有机阳离子基团，B 位置为一个金属阳离子(一般为 Pb 或 Sn)，位置为一个卤素阴离子(一般可为 Cl-1，Br-1，I-1) 。如现在研究比较多CH3NH3PbI3钙钛矿材料，它的 A 位置上是一个 MA+甲胺阳离子，B 位置上Pb2+金属阳离子，X 位置为 I-1卤素阴离子。具体的框架结构如图 1.1 所示。

如上图1.2 所示。常见的二维钙钛矿结构称为 Ruddlesden-Popper 结构，可以看作是三维钙钛矿架构被横切分割为层状。和传统三维有机无机杂化钙钛矿相比，由于二维钙钛矿在空间上的量子限制效应，使其具有一些独特的性质，，比如激子结合能比较高，有较好的横向导电性，在空间上有更好的结构可调节性以及和柔性材料可
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

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本文编号：2607866