Small: 鈣鈦礦晶體管中的非理想電荷輸運特性起源

一、 【導讀】?

離子遷移現象仍是主要影響鈣鈦礦光電器件穩定性的因素。通過鈍化缺陷的策略可將鈣鈦礦太陽能電池的ECE提升到25%以上。目前被報導的鈣鈦礦場效應管(FETs)的遷移率早已超過1cm²/Vs，但離子遷移導致的不穩定性依然亟待克服，尤其是FET器件的偏壓穩定性 (bias-stress stability)。鉛基 (APbX₃) 鈣鈦礦的偏壓穩定性仍無法與常用有機晶體管相媲美。鈣鈦礦的非理想電荷輸運特征 (non-idealities)較為復雜，除了離子遷移的貢獻，也與電極/半導體界面的穩定性緊密相關。

二、【成果掠影】

近日，劍橋大學物理系Henning Sirringhaus團隊在期刊Small上發表題為 “Direct Observation of Contact Reaction Induced Ion Migration and its Effect on Non-Ideal Charge Transport in Lead Triiodide Perovskite Field-Effect Transistors”的論文。 該工作聚焦n-型三元陽離子碘化鉛鈣鈦礦(CsFAMAPbI₃)場效應管中電荷輸運的非理想特性，在器件層面直接觀測到偏壓下接觸金屬電極原子的電化學遷移現象，這種遷移導致了器件的n-型摻雜和不斷升高的電流和遷移率。該工作研究了電極材料功函數和碘化鉛過量/缺乏情形對FET器件偏壓穩定性的影響，系統地解釋了電極-鈣鈦礦電化學反應和外來金屬離子影響FET器件性能的機理。

?三、【核心創新點】

1.觀測到源-漏極(S-D)橫向偏壓下，金電極鈣鈦礦FET器件的開態電流(on-state current)和遷移率會隨著轉移曲線測試循環次數的增加而不斷升高的現象，命名為“電流增強效應” (current build-up effect)。

2.測試了不同功函數的接觸電極(S-D contacts)對電流增強效應的影響，發現高功函數(WF>=Au)電極的器件在偏壓下普遍具有電流增強效應，低功函數(WF>=Au)電極器件的電流則逐漸衰減。

3.測量了CsFAMAPbI₃中化學計量數（stoichiometry）對電流增強效應的影響。對于金電極器件，過量(excess)或缺乏(deficient)的PbI₂成分都會導致較為顯著的電流增強效應，其中尤以過量PbI₂帶來的電流增強效應最為顯著。對于鉻金屬電極器件，無論PbI₂過量或缺乏都會發生電流衰減。

4.對器件偏壓前和偏壓后溝道和電極區域進行了PL mapping。發現PL quenching普遍存在，對于金電極器件最為顯著，電極區域和漏極(drain, +)附近PL全部淬滅。但鉻電極器件的電極區域仍保持較高的信號信號，漏極(drain, +)附近的溝道僅有小范圍淬滅。

5.對偏壓過的器件的電極界面區域進行了SEM形貌表征和元素分析mapping。發現在金電極器件中，漏極(drain, +)附近的溝道可見金納米顆粒，源極(source, -)附近無變化。且PbI₂過量時金的遷移最嚴重，PbI₂缺乏的情況下金的遷移相對緩慢。對于低功函數的鉻電極器件，漏極(drain,+)附近無變化，源極(source,-)界面處有鉛顆粒的形成。最后以電極反應導致的金屬離子摻雜為

?四、【數據概覽】

圖1.鈣鈦礦場效應管中的電流升高效應。

圖2.不同功函數的電極器件中的電流增強和衰減現象。

圖3. 鈣鈦礦化學計量數（PbI2-to-CsFAMAI ratio）對金電極器件和鉻電極器件中電流增強和衰減現象的影響。

圖4. 不同PbI2-to-CsFAMAI ratio成分鈣鈦礦的 XRD和SEM形貌。

圖5.偏壓后的原位PL mapping表征。

圖6. 器件循環后，接觸電極界面處（橫向）的形貌和EDX mapping，以及機理歸納。

圖7. 目錄導覽: Au⁺的遷移摻雜導致鈣鈦礦FET器件的電流增強效應。

五、【成果啟示】

該工作的發表深化了鈣鈦礦FET領域對離子遷移、接觸電極反應以及三碘化鉛鈣鈦礦FET器件的非理想特性來源的理解。這些發現揭示了偏壓誘導的外來金屬離子遷移如何在器件層面影響電荷傳輸，顯示出當鈣鈦礦直接與金屬接觸時，這種現象存在的廣泛性。這項工作強調了接觸金屬的謹慎選擇和成分的精確調控對于成功設計耐用可靠的鈣鈦礦的光電器件的關鍵作用。

原文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202302494

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