第一作者：Kai Leng (冷凱)，Lin Wang (王林)盡管二維有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦以其優(yōu)異的穩(wěn)定性和層狀量子肼結(jié)構(gòu)成為光電應(yīng)用中的明星材料，但表面有機(jī)長(zhǎng)鏈在保護(hù)無(wú)機(jī)量子肼的同時(shí)又引入了較高的電荷注入勢(shì)壘，因此電子器件（比如, 場(chǎng)效應(yīng)晶體管, FET）在有機(jī)無(wú)機(jī)二維雜化鈣鈦礦中一直鮮有報(bào)道。而如何探測(cè)和理解電荷傳輸機(jī)理在根本上制約著先進(jìn)的高性能二維鈣鈦礦光電器件的發(fā)展。近日，電子隧穿透過(guò)二維鈣鈦礦表面有機(jī)長(zhǎng)鏈到達(dá)電極被成功探測(cè)以基于石墨烯為接觸電極的二維鈣鈦礦場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。二維鈣鈦礦和石墨烯像是一對(duì)形影相惜的好朋友，組合后的他們流光溢彩。要點(diǎn)1：二維鈣鈦礦和石墨烯費(fèi)米能級(jí)的相匹配性通過(guò)對(duì)二維鈣鈦礦 ((C4H9NH3)2(CH3NH3)Pb4I13; n=4 RPP) 的開爾文探針顯微鏡, 光譜橢圓偏振和價(jià)帶能譜的探測(cè),構(gòu)建出二維鈣鈦礦,石墨烯和金的對(duì)比能級(jí)圖。有趣地, 石墨烯的費(fèi)米能級(jí)略高于二維鈣鈦礦, 而金的費(fèi)米能級(jí)卻落在了二維鈣鈦礦費(fèi)米能級(jí)的內(nèi)部。這樣一來(lái), 當(dāng)分別用石墨烯和金構(gòu)建FET電極時(shí), 石墨烯可以實(shí)現(xiàn)電子注入給鈣鈦礦, 在界面處展示出較小的肖特基勢(shì)壘。相反地, 鈣鈦礦只能夠失去電子給金電極。
要點(diǎn)2：首次報(bào)道二維鈣鈦礦厚度相關(guān)的掃描隧道顯微鏡 (STM on Graphene & Au substrates)文章首次展示了有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的二維鈣鈦礦STM 原子形貌, 隨著層數(shù)的減少, 薄層二維鈣鈦礦受基底張力影響, 表面對(duì)稱性被逐漸打破。相比于金基底，二維鈣鈦礦在石墨烯基底總是表現(xiàn)出平滑規(guī)整的形貌。特別地, 通過(guò)掃描穿隧能譜分子層厚的二維鈣鈦礦在石墨烯基底上展示出最小的穿隧間隙。
要點(diǎn)3：分子層厚度二維鈣鈦礦FET 器件通過(guò)石墨烯和金電極接觸, 薄層二維鈣鈦礦的場(chǎng)效應(yīng)晶體管被構(gòu)建。二維鈣鈦礦在石墨烯電極上表現(xiàn)出 n-type 傳輸?shù)膬?yōu)異性能, 相比較, 在金電極上卻表現(xiàn)出p-type 傳輸。隨著溫度的增加, 器件性能在逐漸降低由于離子遷移作用。電子隧穿機(jī)理展示出direct tunneling 在低偏壓到 Fowler-Nordheim (F-N) tunneling 在高偏壓并且場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵壓可調(diào)控。有趣地, 通過(guò)光照FET 輸出曲線展示出非線性到線性轉(zhuǎn)換，預(yù)示著減小的界面電阻。
圖3. 使用G或Au作為電極的2D鈣鈦礦FET器件（n = 4）及其光電特性。要點(diǎn)4：二維鈣鈦礦和石墨烯界面的飛秒激光泵浦探測(cè)通過(guò)飛秒激光泵浦探測(cè), 超快電荷轉(zhuǎn)移從石墨烯到二維鈣鈦礦發(fā)生在 50 飛秒量級(jí)。這和我們看到的石墨烯和二維鈣鈦礦的能級(jí)匹配相吻合。如此快速的電荷轉(zhuǎn)換使光輔助量子隧道效應(yīng)在石墨烯和二維鈣鈦礦的界面得以實(shí)現(xiàn)。
圖4. 秒激光泵浦探測(cè)RPP/G異質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)光載流子注入。綜上所述，二維鈣鈦礦和石墨烯的異質(zhì)結(jié)相得益彰，為先進(jìn)光電器件的發(fā)展拓寬了新思路。Leng, K., Wang, L., Shao, Y. et al. Electron tunneling at the molecularly thin 2D perovskite and graphene van der Waals interface. Nat Commun 11, 5483 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19331-6冷凱博士: 新加坡國(guó)立大學(xué)理學(xué)博士 (2019), 新加坡國(guó)立大學(xué)和劍橋大學(xué)博士后 (2019-2020), 香港理工大學(xué)應(yīng)用物理系研究助理教授 (Oct, 2020 - now). 以第一作者 (或者共同一作)身份共發(fā)表文章9篇, 包括Nat. Rev. Mater. (1篇); Nat. Mater. (1篇); Nat. Commun. (2篇) 等。獲 “Prof Lee Soo Ying Early Career Gold Award, Singapore(2020)”. (H-index of 22 with 3246 citations by Google Scholars).羅健平教授: 牛津大學(xué)博士 (1996), 日本國(guó)家材料科學(xué)研究所博士后(1996-1998), 新加坡國(guó)立大學(xué)杰出物理化學(xué)家, 曾任新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)系系主任, 獲得“新加坡總統(tǒng)科學(xué)與科技獎(jiǎng) (2014)”, 被評(píng)為Provosts’ Chair Professor. 迄今為止, 已經(jīng)發(fā)表超過(guò)200 篇SCI 論文, 包括Nature, Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Energy, Nat. Photo., Nature Catal., Nature Chem., Nat. Commun. et al. 在學(xué)術(shù)活動(dòng)方面, 羅教授擔(dān)任美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)雜志Chemistry of Materials副主編，英國(guó)物理所雜志Journal of 2D Materials的副主編, 雜志 Materials Horizon的科學(xué)編輯, Elservier 雜志 Diamond and Related Materials的編輯, 以及雜志Advanced Functional Materials國(guó)際顧問(wèn)委員會(huì)成員。
