【摘要】：近年來有機無機雜化鈣鈦礦材料因為其獨特的光學和電學特性以及相對簡便的制備工藝受到廣泛關注。鈣鈦礦材料作為一種新型半導體材料已經(jīng)在太陽能電池領域取得了巨大成功,其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)從2009年的3.8%提升到目前大于23.7%。在太陽能電池領域的突破也帶動了該材料作為一種新型半導體在其他光電器件領域的應用。因為其較好的光吸收系數(shù),載流子遷移率和簡單的制備工藝,大量研究者的目光投向使用有機無機雜化鈣鈦礦材料來制作高性能,大面積的光電場效應晶體管。和研究較多的三維有機無機雜化鈣鈦礦相比,二維有機無機雜化鈣鈦礦擁有獨特的范德華力堆疊的層狀結構,這種結構使其具有相對較好的橫向?qū)щ娦院头�(wěn)定性,目前關于二維鈣鈦礦的光電場效應管光電特性的研究非常有限。本論文首先對鐵電薄膜poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE))和新型二維鈣鈦礦材料(C_6H_5C_2H_4NH_3)_2SnI_4((PEA)_2SnI_4)進行了系統(tǒng)的光學和電學的材料表征。然后使用鐵電薄膜作為柵介質(zhì)層,制作以新型二維鈣鈦礦材料為溝道的場效應晶體管,研究了在鐵電場作用下,二維鈣鈦礦場效應管獨特的光學和電學特性。相關的光電測試和材料分析表征得到結論如下:1.二維鈣鈦礦光電場效應管的電學特性增強:在這個工作中,我們以新型二維鈣鈦礦材料作為溝道,分別制備了以二氧化硅薄膜為背柵的傳統(tǒng)晶體管和以鐵電薄膜P(VDF-TrFE)為背柵的鐵電場效應晶體管,作為對比。通過系統(tǒng)的研究器件的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,發(fā)現(xiàn)由于二維鈣鈦礦材料本身的缺陷態(tài),使其在傳統(tǒng)二氧化硅氧化物薄膜柵介質(zhì)上的轉(zhuǎn)移特性曲線有較大的滯回,不利于其在高速器件領域的應用。在鐵電薄膜的器件中,通過鐵電局域極化電場的作用,使轉(zhuǎn)移特性曲線的滯回(hysteresis)被明顯的減少,亞閾值擺幅由氧化物薄膜器件的6250 mV dec~(-1)下降到440.5 mV dec~(-1),亞閾值擺幅的降低意味著器件可以擁有更快的開關速度。另外在鐵電局域極化電場的作用下,器件的轉(zhuǎn)移特性曲線還表現(xiàn)出了更高的開關比,接近10的5次方。通過分析轉(zhuǎn)移特性曲線,得到在鐵電柵介質(zhì)的器件中,載流子遷移率可以達到0.04 cm~2 V~(-1) s~(-1)。這項工作對進一步研究新型鈣鈦礦材料在鐵電作用下電學輸運特性具有重要參考意義。2.二維鈣鈦礦光電探測器光學性能增強:這里我們系統(tǒng)研究了在鐵電柵介質(zhì)不同極化狀態(tài)下,二維鈣鈦礦光電探測器的光電探測性能的變化。通過場效應管器件的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,驗證了(PEA)_2SnI_4為P型半導體。通過柵壓使鐵電薄膜的極化方向向下時,溝道處于載流子積累狀態(tài),載流子濃度升高,較高的載流子濃度彌補了缺陷的阻礙作用,從而使器件的響應速度得到提升。光電流上升沿和下降沿的最快速度分別可以達到50 ms和1.5 s。通過柵壓使鐵電薄膜的極化方向向上時,溝道為耗盡狀態(tài),載流子濃度被大幅降低,暗電流隨之降低。由于暗電流的有效抑制,使器件在這種極化狀態(tài)下有較高的光開關比,光開關比達到100。同時,由于暗電流的減小,使器件的響應靈敏度變高,在470nm單色光照射下,響應度R達到14.57 A W~(-1),探測率D*達到1.74 x 10~(12) Jones,器件參數(shù)在同類材料中達到領先水平。這項工作研究了鐵電極化作用對二維鈣鈦礦光電探測器性能提升的影響,和傳統(tǒng)鈍化,摻雜等手段提升器件性能有所區(qū)別,為進一步改善鈣鈦礦材料光電探測器性能提供了一個新維度。
【圖文】：

基于鐵電調(diào)控有機無機雜化二維鈣鈦礦光電場效應管研究導體材料目前還被應用于光電探測器，場效應晶體管，濕度探測器等光電器件來進行進一步的探索和發(fā)掘，這種材料對未來新一代光電器件的研制具有重要義。1.1.2 有機無機雜化鈣鈦礦結構變化對于常見的有機無機雜化鈣鈦礦材料來說，大都可用 ABX3的通式來表A 位置為一個有機陽離子基團，B 位置為一個金屬陽離子(一般為 Pb 或 Sn)，位置為一個鹵素陰離子(一般可為 Cl-1，Br-1，I-1) 。如現(xiàn)在研究比較多CH3NH3PbI3鈣鈦礦材料，它的 A 位置上是一個 MA+甲胺陽離子，B 位置上Pb2+金屬陽離子，X 位置為 I-1鹵素陰離子。具體的框架結構如圖 1.1 所示。

如上圖1.2 所示。常見的二維鈣鈦礦結構稱為 Ruddlesden-Popper 結構，可以看作是三維鈣鈦礦架構被橫切分割為層狀。和傳統(tǒng)三維有機無機雜化鈣鈦礦相比，由于二維鈣鈦礦在空間上的量子限制效應，使其具有一些獨特的性質(zhì)，，比如激子結合能比較高，有較好的橫向?qū)щ娦裕诳臻g上有更好的結構可調(diào)節(jié)性以及和柔性材料可
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN386

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本文編號：2607866