【摘要】：近年來(lái)有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料因?yàn)槠洫?dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性以及相對(duì)簡(jiǎn)便的制備工藝受到廣泛關(guān)注。鈣鈦礦材料作為一種新型半導(dǎo)體材料已經(jīng)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)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(yáng)能電池領(lǐng)域的突破也帶動(dòng)了該材料作為一種新型半導(dǎo)體在其他光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用。因?yàn)槠漭^好的光吸收系數(shù),載流子遷移率和簡(jiǎn)單的制備工藝,大量研究者的目光投向使用有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料來(lái)制作高性能,大面積的光電場(chǎng)效應(yīng)晶體管。和研究較多的三維有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦相比,二維有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦擁有獨(dú)特的范德華力堆疊的層狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)使其具有相對(duì)較好的橫向?qū)щ娦院头�(wěn)定性,目前關(guān)于二維鈣鈦礦的光電場(chǎng)效應(yīng)管光電特性的研究非常有限。本論文首先對(duì)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(jìn)行了系統(tǒng)的光學(xué)和電學(xué)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(chǎng)效應(yīng)晶體管,研究了在鐵電場(chǎng)作用下,二維鈣鈦礦場(chǎng)效應(yīng)管獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性。相關(guān)的光電測(cè)試和材料分析表征得到結(jié)論如下:1.二維鈣鈦礦光電場(chǎng)效應(yīng)管的電學(xué)特性增強(qiáng):在這個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管,作為對(duì)比。通過(guò)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(lǐng)域的應(yīng)用。在鐵電薄膜的器件中,通過(guò)鐵電局域極化電場(chǎng)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(kāi)關(guān)速度。另外在鐵電局域極化電場(chǎng)的作用下,器件的轉(zhuǎn)移特性曲線還表現(xiàn)出了更高的開(kāi)關(guān)比,接近10的5次方。通過(guò)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(dá)到0.04 cm~2 V~(-1) s~(-1)。這項(xiàng)工作對(duì)進(jìn)一步研究新型鈣鈦礦材料在鐵電作用下電學(xué)輸運(yùn)特性具有重要參考意義。2.二維鈣鈦礦光電探測(cè)器光學(xué)性能增強(qiáng):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(cè)器的光電探測(cè)性能的變化。通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管器件的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,驗(yàn)證了(PEA)_2SnI_4為P型半導(dǎo)體。通過(guò)柵壓使鐵電薄膜的極化方向向下時(shí),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(bǔ)了缺陷的阻礙作用,從而使器件的響應(yīng)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(dá)到50 ms和1.5 s。通過(guò)柵壓使鐵電薄膜的極化方向向上時(shí),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(kāi)關(guān)比,光開(kāi)關(guān)比達(dá)到100。同時(shí),由于暗電流的減小,使器件的響應(yīng)靈敏度變高,在470nm單色光照射下,響應(yīng)度R達(dá)到14.57 A W~(-1),探測(cè)率D*達(dá)到1.74 x 10~(12) Jones,器件參數(shù)在同類(lèi)材料中達(dá)到領(lǐng)先水平。這項(xiàng)工作研究了鐵電極化作用對(duì)二維鈣鈦礦光電探測(cè)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(jìn)一步改善鈣鈦礦材料光電探測(cè)器性能提供了一個(gè)新維度。
【圖文】：

基于鐵電調(diào)控有機(jī)無(wú)機(jī)雜化二維鈣鈦礦光電場(chǎng)效應(yīng)管研究導(dǎo)體材料目前還被應(yīng)用于光電探測(cè)器，場(chǎng)效應(yīng)晶體管，濕度探測(cè)器等光電器件來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的探索和發(fā)掘，這種材料對(duì)未來(lái)新一代光電器件的研制具有重要義。1.1.2 有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)變化對(duì)于常見(jiàn)的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料來(lái)說(shuō)，大都可用 ABX3的通式來(lái)表A 位置為一個(gè)有機(jī)陽(yáng)離子基團(tuán)，B 位置為一個(gè)金屬陽(yáng)離子(一般為 Pb 或 Sn)，位置為一個(gè)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(gè) MA+甲胺陽(yáng)離子，B 位置上Pb2+金屬陽(yáng)離子，X 位置為 I-1鹵素陰離子。具體的框架結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。

如上圖1.2 所示。常見(jiàn)的二維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)稱(chēng)為 Ruddlesden-Popper 結(jié)構(gòu)，可以看作是三維鈣鈦礦架構(gòu)被橫切分割為層狀。和傳統(tǒng)三維有機(jī)無(wú)機(jī)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(yīng)，使其具有一些獨(dú)特的性質(zhì)，，比如激子結(jié)合能比較高，有較好的橫向?qū)щ娦�，在空間上有更好的結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)性以及和柔性材料可
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN386

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本文編號(hào)：2607866