近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)黃佛保副教授課題組與三峽大學(xué)胡功偉副教授課題組合作，在三維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦光敏場(chǎng)效應(yīng)管領(lǐng)域取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Wiley旗下的Advanced Optical Materials期刊上。
文章簡(jiǎn)介
光敏場(chǎng)效應(yīng)管（PhFET）是一種三端光電探測(cè)器。與兩端器件光電導(dǎo)管或光電二極管相比，它具有通過柵壓靈活調(diào)制器件暗/光電流的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件輸出電流包括放大或抑制等更精細(xì)的控制。三維(3D)鈣鈦礦是一種具有高光電轉(zhuǎn)換效率的材料，然而由于3D鈣鈦礦PhFET溝道內(nèi)離子的遷移和積累，降低有效載流子密度，導(dǎo)致柵極場(chǎng)屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致單獨(dú)以3D鈣鈦礦為溝道的器件難以呈現(xiàn)出典型的場(chǎng)效應(yīng)特性。因此，3D鈣鈦礦材料在室溫下表現(xiàn)出場(chǎng)效應(yīng)行為是具有挑戰(zhàn)的，尤其是對(duì)于底柵頂接觸結(jié)構(gòu)。本文提出了以有機(jī)聚合物半導(dǎo)體聚（3-己基噻吩-2，5-二基）（P3HT）為溝道層，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化摻銫甲脒基鈣鈦礦FA0.9Cs0.1PbI3為光敏層，通過全溶液法構(gòu)建了底柵頂接觸型光敏場(chǎng)效應(yīng)管。通過溶劑工程和氧等離子處理，優(yōu)化了有機(jī)溝道層的成膜質(zhì)量、厚度、界面，有效匹配了上層鈣鈦礦光敏層。與單獨(dú)的P3HT和鈣鈦礦器件相比，該異質(zhì)結(jié)PhFET不僅實(shí)現(xiàn)了典型的場(chǎng)效應(yīng)特性，而且表現(xiàn)出顯著的光響應(yīng)，同時(shí)可通過柵壓調(diào)制有效放大光電流。該P(yáng)hFET性能與單獨(dú)的鈣鈦礦器件相比，其響應(yīng)率和外部量子效率提高近10倍。本研究采用巧妙的設(shè)計(jì)與有效的優(yōu)化手段，為以后構(gòu)筑基于3D有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦光敏的PhFET開辟了新的途徑。
圖文導(dǎo)讀
圖 1 以有機(jī)半導(dǎo)體為溝道層的鈣鈦礦光敏場(chǎng)效應(yīng)管的設(shè)計(jì)與制備。a-c）器件結(jié)構(gòu)示意圖和d）器件制備工藝流程示意圖。將P3HT溶解在氯苯中制備得到前驅(qū)體溶液，并將該前驅(qū)體溶液滴在重?fù)诫s的Si/SiO2襯底上，旋涂并在100℃下退火10分鐘后氧等離子處理1分鐘。將鈣鈦礦溶解在DMF/DMSO中制備得到前驅(qū)體溶液，并將溶液滴在氧等離子體處理后的P3HT薄膜上旋涂，在旋涂第9s滴加乙酸乙酯，后在150℃下退火15分鐘，最后真空蒸鍍?cè)绰╇姌O
圖 2器件有源層薄膜的光吸收特性和晶體結(jié)構(gòu)：a）FA0.9Cs0.1PbI3、P3HT和P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3薄膜的吸收光譜和b）FA0.9Cs0.1PbI3、P3HT和P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3薄膜的XRD圖譜
圖 3 器件有源層薄膜的形態(tài)表征：a）P3HT薄膜的二維AFM圖像; b）旋涂在P3HT薄膜上的FA0.9Cs0.1PbI3薄膜的表面SEM圖像; c）P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3薄膜橫截面的SEM圖像
圖 4 三種場(chǎng)效應(yīng)管在暗態(tài)下的輸出和傳輸特性曲線：a、b）FA0.9Cs0.1PbI3器件; c、d）P3HT器件; e、f）P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3器件
圖 5 參考和目標(biāo)器件在黑暗和光照下柵壓為0 V時(shí)的輸出特性曲線（用作雙端光電導(dǎo)光電探測(cè)器）：a）FA0.9Cs0.1PbI3器件; b）P3HT器件; c）P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3異質(zhì)結(jié)器件
圖 6 P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3異質(zhì)結(jié)器件在光照下的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線：a、c、d）輸出特性曲線; B）轉(zhuǎn)移特性曲線
圖 7 異質(zhì)結(jié)器件的光敏性能。器件凈光電流和響應(yīng)度的光強(qiáng)依賴性：a）（Vgs = 0 V）; b）（Vgs = -70 V）。施加?xùn)艍号c否時(shí)的目標(biāo)器件與鈣鈦礦器件c）光響應(yīng)度和d）比探測(cè)率的比較
圖 8 異質(zhì)結(jié)PhFET器件的時(shí)間依賴光響應(yīng)。長(zhǎng)時(shí)間光脈沖響應(yīng)：a）FA0.9Cs0.1PbI3器件; c）P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3器件。上升時(shí)間和下降時(shí)間：b）FA0.9Cs0.1PbI3器件; d）P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3器件
期刊簡(jiǎn)介
Advanced Optical Materials是一個(gè)國(guó)際性的、跨學(xué)科的論壇，針對(duì)材料科學(xué)的同行評(píng)審論文，重點(diǎn)關(guān)注光-物質(zhì)相互作用的各個(gè)方面。致力于光子學(xué)、等離子體、超材料等領(lǐng)域的突破性發(fā)現(xiàn)和基礎(chǔ)研究。
