金属卤素化合物钙钛矿材料在场效应晶体管中的应用

近年来,金属卤素化合物钙钛矿材料在光电器件领域已经被深入研究和广泛应用。例如,基于钙钛矿材料的发光二极管、太阳能电池和光敏探测器的性能可以媲美或超越基于有机半导体材料的光电器件。然而,相比较而言,该领域对于钙钛矿材料场效应晶体管的研究热情却没有特别高涨。场效应晶体管作为逻辑运算和驱动电路的基本单元,是当代半导体工业的基石。与发光二极管或太阳能电池这些两端电极器件不同的是,场效应晶体管通常具有源极、漏极和门电极三个电极,通过对这三个电极的电压调控来控制载流子从源极的注入、载流子在半导体材料和电介质界面的传输、和载流子在漏极的收集。

然而,因为钙钛矿材料兼具离子半导体的特性,当给定钙钛矿场效应晶体管门电极一定强度的电压时,在钙钛矿材料和电介质界面处就会形成离子屏蔽效应,使得门电压失去作用,从而不能有效调控晶体管沟道中载流子的传输。这就非常可惜,因为如果暂且不谈钙钛矿场效应晶体管中的离子屏蔽效应,钙钛矿就会非常适合于晶体管器件的研发。例如,金属卤素化合物钙钛矿具有不同维度和形态,在工艺上可以满足不同需求;电学性质方面,钙钛矿有非常高的本征载流子迁移率和双极性的特点;光学方面,钙钛矿有很高的光吸收系数和光电转化率,适合高性能光敏场效应晶体管的研发。

南京理工大学的曾海波教授课题组最近发表了综述本章“Metal Halide Perovskites: Synthesis, Ion Migration, and Application in Field‐Effect Transistors”,系统阐述了最近几年钙钛矿场效应晶体管的研究进展,提出弱化和去除离子屏蔽效应的解决方案。文章首先介绍了钙钛矿场效应晶体管的优势和潜在应用,进而详细梳理了钙钛矿材料的晶体结构和不同的制备方法,最后阐述了基于不同钙钛矿材料的场效应晶体管的性能优劣,同时总结提出了通过材料结构优化、材料组成改进等方法来弱化或消除离子屏蔽效应,进而得到可以在室温下稳定工作并且性能优异的钙钛矿场效应晶体管。

相关综述论文在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201801460)上。