钙钛矿晶体管的制备与性能研究

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钙钛矿,以俄罗斯矿物学家L.A.Perovski命名,最初钙钛矿是由钛酸钙组成的物质(CaTiO3),该术语后来扩展到具有类似钙钛矿晶体结构的一类材料,如甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)。CH3NH3PbI3禁带宽度为1.5eV左右,载流子迁移率高,载流子扩散距离长(>100μm),具有双极传输特性,在可见光范围内具有高的光吸收率及其在太阳能电池领域的迅猛发展,使其迅速成为钙钛矿材料中热点研究材料之一。CH3NH3PbI3材料制备成本低,制备方法简单,不需要高温处理,但其声子散射,离子漂移和分子极化严重,要获得其晶体管特性是十分困难的,而低成本低温制备体积小、稳定、高迁移率、二维平面结构的晶体管对电子信息产业的发展是至关重要的,所以制备与研究基于二维CH3NH3PbI3的晶体管器件是有重要意义的。本文在前人工作的基础上,首先用水浴过饱和结晶法合成钙钛矿的前驱体(PbI2),制备基于PbI2的光导型探测器,并对其进行研究,再通过CVD的方法将其PbI2转化为二维钙钛矿微晶,制备基于二维钙钛矿微晶的晶体管,并对特性进行研究,本论文主要研究内容如下:(1)利用水浴过饱和结晶法制备二维PbI2单晶,生长晶体的尺寸在20-500μm之间,生长晶体的厚度在15-160 nm之间;生长晶体的尺寸、厚度分布与高斯曲线相符;制备基于二维PbI2单晶的光导型探测器,并研究其光敏性能,器件对波长范围在400-530 nm的光有明显的响应,与之对应的禁带宽度为2.34 eV。(2)利用化学气相沉积法(CVD),使碘化甲基铵(MAI)与碘化铅纳米片在管式炉中反应,生成钙钛矿的二维微晶,并对其进行表征、统计分析,得出碘化铅在转化为钙钛矿之后,表面粗糙度和厚度均有较大幅度增加;其表面粗糙度由1.07 nm转变为17.8 nm;厚度由23 nm转变为100 nm。(3)通过CVD的方法制备基于二维CH3NH3PbI3微晶的晶体管,研究其晶体管特性,得出基于二维CH3NH3PbI3微晶的晶体管,其场效应迁移率为0.13 cm2/V?s,阈值电压为-12V,亚阈值摆幅为8.7×10-4 mV/dec,开关比为1.25。(4)通过CVD法制备WS2/PbI2的异质结,发现PbI2在WS2基底上生长时,厚度随生长时间逐渐增加;PbI2先在边缘生长,之后在中心形核,晶核呈树枝型向边缘伸展、成膜;异质结的PL峰位随PbI2厚度的增加而红移;该异质结的探测器表现出明显的二极管特性,均对波长范围在400-550 nm的光具有明显的光响应;对其它波段的光呈现出光响应的规律,有待进一步研究;在零偏压下,用405 nm激光照射,两电极之间具有明显的负光电导效应,在加正向偏压,光生电流变为正向,其机理有待进一步研究。
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