近日，西北工業大學黃維院士團隊黃佛保副教授課題組與三峽大學胡功偉副教授課題組合作，在三維有機-無機雜化鈣鈦礦光敏場效應管領域取得進展，相關研究成果發表在Wiley旗下的Advanced Optical Materials期刊上。
文章簡介
光敏場效應管（PhFET）是一種三端光電探測器。與兩端器件光電導管或光電二極管相比，它具有通過柵壓靈活調制器件暗/光電流的優點，可實現對器件輸出電流包括放大或抑制等更精細的控制。三維(3D)鈣鈦礦是一種具有高光電轉換效率的材料，然而由于3D鈣鈦礦PhFET溝道內離子的遷移和積累，降低有效載流子密度，導致柵極場屏蔽效應，導致單獨以3D鈣鈦礦為溝道的器件難以呈現出典型的場效應特性。因此，3D鈣鈦礦材料在室溫下表現出場效應行為是具有挑戰的，尤其是對于底柵頂接觸結構。本文提出了以有機聚合物半導體聚（3-己基噻吩-2，5-二基）（P3HT）為溝道層，有機-無機雜化摻銫甲脒基鈣鈦礦FA0.9Cs0.1PbI3為光敏層，通過全溶液法構建了底柵頂接觸型光敏場效應管。通過溶劑工程和氧等離子處理，優化了有機溝道層的成膜質量、厚度、界面，有效匹配了上層鈣鈦礦光敏層。與單獨的P3HT和鈣鈦礦器件相比，該異質結PhFET不僅實現了典型的場效應特性，而且表現出顯著的光響應，同時可通過柵壓調制有效放大光電流。該PhFET性能與單獨的鈣鈦礦器件相比，其響應率和外部量子效率提高近10倍。本研究采用巧妙的設計與有效的優化手段，為以后構筑基于3D有機-無機雜化鈣鈦礦光敏的PhFET開辟了新的途徑。
圖文導讀
圖 1 以有機半導體為溝道層的鈣鈦礦光敏場效應管的設計與制備。a-c）器件結構示意圖和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體溶液，并將該前驅體溶液滴在重摻雜的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，最后真空蒸鍍源漏電極
圖 2器件有源層薄膜的光吸收特性和晶體結構：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 三種場效應管在暗態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 參考和目標器件在黑暗和光照下柵壓為0 V時的輸出特性曲線（用作雙端光電導光電探測器）：a）FA0.9Cs0.1PbI3器件; b）P3HT器件; c）P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3異質結器件
圖 6 P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3異質結器件在光照下的輸出和轉移特性曲線：a、c、d）輸出特性曲線; B）轉移特性曲線
圖 7 異質結器件的光敏性能。器件凈光電流和響應度的光強依賴性：a）（Vgs = 0 V）; b）（Vgs = -70 V）。施加柵壓與否時的目標器件與鈣鈦礦器件c）光響應度和d）比探測率的比較
圖 8 異質結PhFET器件的時間依賴光響應。長時間光脈沖響應：a）FA0.9Cs0.1PbI3器件; c）P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3器件。上升時間和下降時間：b）FA0.9Cs0.1PbI3器件; d）P3HT/FA0.9Cs0.1PbI3器件
期刊簡介
Advanced Optical Materials是一個國際性的、跨學科的論壇，針對材料科學的同行評審論文，重點關注光-物質相互作用的各個方面。致力于光子學、等離子體、超材料等領域的突破性發現和基礎研究。
