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长春光机所郭春雷中美联合光子实验室在钙钛矿光敏场效应晶体管方面的研究获得新进展

时间：2019-9-5 11:03作者：update 阅读(535) 评论: 5

导读：新型钙钛矿是目前研究的热点材料之一，其相关研究在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域取得了巨大的进展。

　　钙钛矿是指一类陶瓷氧化物，其分子通式为ABO3；此类氧化物最早被发现，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO3）化合物，因此而得名。由于此类化合物结构上有许多特性，在凝聚态物理方面应用及研究甚广，所以物理学家与化学家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)来简称之，因此又名“113结构”。呈立方体晶形。在立方体晶体常具平行晶棱的条纹，系高温变体转变为低温变体时产生聚片双晶的结果。

　　钙钛矿是以俄罗斯地质学Preosvik的名字命名的，其结构通常有简单钙钛矿结构、双钙钛矿结构和层状钙钛矿结构。简单钙钛矿化合物的化学通式是，其中X通常为半径较小的或，双钙钛矿结构(Double-Perovskite)具有组成通式，层状钙钛矿结构组成较复杂，研究较多的是具有通式以及具有超导性质的和三方层状钙钛等。研究最多的是组成为的钙钛矿结构类型化合物。

　　组成为的钙钛矿结构类型化合物，所属晶系主要有正交、立方、菱方、四方、单斜和三斜晶系，A位离子通常是稀土或者碱土具有较大离子半径的金属元素，它与12个氧配位，形成最密立方堆积，主要起稳定钙钛矿结构的作用；B位一般为离子半径较小的元素（一般为过渡金属元素，如Mn、Co、Fe等），它与6个氧配位，占据立方密堆积中的八面体中心，由于其价态的多变性使其通常成为决定钙钛矿结构类型材料很多性质的主要组成部分。与简单氧化物相比，钙钛矿结构可以使一些元素以非正常价态存在，具有非化学计量比的氧，或使活性金属以混合价态存在，使固体呈现某些特殊性质。由于固体的性质与其催化活性密切相关，钙钛矿结构的特殊性使其在催化方面得到广泛应用。

　　钙钛矿型复合氧化物ABO3是一种具有独特物理性质和化学性质的新型无机非金属材料，A位一般是稀土或碱土元素离子，B位为过渡元素离子，A位和B位皆可被半径相近的其他金属离子部分取代而保持其晶体结构基本不变，因此在理论上它是研究催化剂表面及催化性能的理想样品。由于这类化合物具有稳定的晶体结构、独特的电磁性能以及很高的氧化还原、氢解、异构化、电催化等活性，作为一种新型的功能材料，在环境保护和工业催化等领域具有很大的开发潜力。

　　钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构，尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能，或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域，成为化学、物理和材料等领域的研究热点。标准钙钛矿中A或B位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物，形成阴离子缺陷或不同价态的B位离子，是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。

　　新型钙钛矿是目前研究的热点材料之一，其相关研究在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域取得了巨大的进展。基于钙钛矿材料的光电器件和电子器件制备工艺简单，易于大面积加工制造和集成到经典的电子器件中。但是，基于钙钛矿材料的场效应晶体管研究仍然较少，已报道的工作存在载流子迁移率较低、传输机理不明等问题。

　　针对这一问题，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所郭春雷中美联合光子实验室的于伟利课题组采用空间限域、反温度结晶相结合的方法，制备了具有低缺陷密度的CsPbBr3薄单晶，克服了载流子在横向通道传输过程中易受晶界和晶粒缺陷影响的问题，制备出了高效的光敏场效应晶体管。

　　他们利用空间限域、反温度结晶相结合的方法生长出的CsPbBr3薄单晶没有明显的晶粒界畴，厚度在2微米左右，尺寸可以达到毫米级或更大尺寸，便于电子、光电子器件的制备和应用。基于此薄单晶的场效应晶体管在室温下具有双极性，且其载流子传输表现出奇异的光强依赖性：电子的迁移率与光照强度无关，而空穴的迁移率随光照强度的增加而增加；在电子为多数载流子时，阈值电压表现出了光的依赖性，而空穴为多数载流子时却没有这一现象。

　　这是首次在钙钛矿材料中报道这一现象。作者分析认为：这种特殊的传输特性是分别由光电导效应和光伏效应引起的，体现了钙钛矿材料载流子传输机制的特殊性。在50mW/cm2的光照条件下，所制备的场效应晶体管在室温下具有0.40（0.34）cm2V-1s-1的电子（空穴）迁移率，显著优于迄今为止所报道过的基于CsPbBr3钙钛矿材料的场效应晶体管。另外，所制器件也表现了优良的光探测器性能。

　　这项工作不仅为制备高性能光敏场效应晶体管提供了指导策略，而且揭示了全无机钙钛矿CsPbBr3特有的电荷传输机理，将有助于后续的钙钛矿材料的光电特性的研究及器件优化。相关结果以“AnomalousAmbipolarPhototransistorsBasedonAll‐InorganicCsPbBr3PerovskiteatRoomTemperature”为题发表在AdvancedOpticalMaterials（DOI:10.1002/adom.201900676）上。

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