Di chuyển các ion qua lớp perovskite theo hai chiều
bởi Học viện Khoa học Trung Quốc
Hình minh họa về WSe2 FET được tích hợp với MAPbI3 perovskite để tạo thành đi-ốt quang nhạy cảm với perovskite có thể lập trình. một Sơ đồ minh họa cấu trúc thiết bị MAPbI3/WSe2 FET. b Sơ đồ minh họa quá trình trích xuất các sóng mang quang điện từ MAPbI3 vào kênh đi-ốt WSe2 phân cực. Ảnh: eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00040-8
Pha tạp tĩnh điện đã được sử dụng rộng rãi trong các vật liệu có chiều thấp, bao gồm các vật liệu ống nano carbon (CNT) và hai chiều (2D) như graphene và dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMDs). Không giống như pha tạp mạng thông thường với các nguyên tử tạp chất, rất khó để đạt được pha tạp trong vật liệu kích thước nano do không gian vật lý hạn chế. Pha tạp tĩnh điện mở ra một con đường hiệu quả để điều chỉnh các hạt mang điện trong vật liệu kích thước nano mà không đưa vào các nguyên tử tạp chất, có thể gây nhiễu loạn sự sắp xếp nguyên tử và làm suy giảm các tính chất điện tử bên trong của vật liệu kích thước nano.
Trong một bài báo mới đăng trên eLight, một nhóm các nhà khoa học do Giáo sư Sung-Joon Lee và Hung-Chieh Cheng từ Đại học California Los Angeles đứng đầu đã phát triển một thiết bị perovskite chì iodua metylamoni (CH3NH3PbI3)/2DSC.
Gần đây, chất rắn ion đã được khám phá để tạo ra điểm nối p-n trong vật liệu 2D đơn lớp. Các ion di động bị đóng băng cung cấp các trường tĩnh điện để điều chỉnh mật độ sóng mang của kênh bán dẫn 2D bên dưới. Do hình dạng của chất rắn ion được xác định rõ ràng, khả năng kiểm soát cục bộ pha tạp trên chất bán dẫn 2D (2DSC) cho phép các thiết kế đa dạng tích hợp các thiết bị điện tử/quang điện tử ở trạng thái rắn với nhiễu xuyên âm tối thiểu.
Việc điều khiển các ion bạc trong bạc iodua siêu ion ở trạng thái rắn (AgI) được sử dụng để điều chỉnh loại sóng mang của 2DSC nhằm tạo ra các bóng bán dẫn, điốt, điốt quang và cổng logic có thể lập trình thuận nghịch.
TMD đơn lớp đã được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng quang điện tử mới như đi-ốt phát quang (đèn LED) có thể điều chỉnh bằng điện, đi-ốt tiếp giáp p-n được điều khiển bằng cổng và pin mặt trời. Tuy nhiên, các TMD đơn lớp thể hiện một số giới hạn nội tại đối với các ứng dụng quang điện tử hiệu suất cao. Sự kết hợp của các tạp chất tạp chất trong các mạng 2D mỏng nguyên tử về cơ bản đã bị giới hạn bởi không gian vật lý trong các mạng mỏng nguyên tử.
Đây là một thách thức dai dẳng để điều chỉnh loại/mật độ pha tạp điện tích trong các 2DSC đơn lớp bằng cách sử dụng các chất dẫn xuất mạng đã chọn. Do đó, các điốt quang p-n được tạo ra từ 2DSC thường bị cản trở bởi các tiếp điểm không lý tưởng ở cả phía p hoặc phía n, hạn chế điện áp mạch hở (VOC) có thể đạt được. Ngoài ra, tổng độ hấp thụ ánh sáng và độ nhạy quang phổ của 2DSC về cơ bản bị giới hạn bởi hình dạng nguyên tử mỏng của chúng. Nó ảnh hưởng đến hiệu suất tạo sóng mang quang và hiệu suất lượng tử bên ngoài có thể đạt được (EQE).
Những nỗ lực đáng kể đã được dành để khắc phục những hạn chế nội tại như vậy bằng cách tích hợp không đồng nhất với các vật liệu quang điện tử nổi tiếng khác. Ví dụ, giao thoa với các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ đã được chứng minh là một chiến lược hiệu quả để kiểm soát các tính chất quang điện của nó. Các perulfit chì lai halogen (LHP) đã nhận được sự chú ý đáng kể đối với quang điện do hiệu suất quang điện tử tuyệt vời và chi phí chế tạo thấp.
Mặc dù có tiềm năng phi thường, nhưng các LHP ion "mạng mềm" thường bị ảnh hưởng bởi sự di chuyển của ion dưới sự sai lệch điện áp, dẫn đến độ ổn định vật liệu kém và độ trễ lớn trong các chất quang điện phụ thuộc vào điện áp. Sự di chuyển của các ion tích điện dương hoặc âm có thể gây ra sự tích tụ ion hoặc mất cân bằng điện tích ion dưới tác dụng của điện trường. Ở đây, chúng tôi khai thác sự mất cân bằng điện tích ion như vậy trong LHP để tạo ra pha tạp có thể đảo ngược trong 2DSC gần đó để tạo ra các điốt quang hiệu suất cao.
Methylammonium chì iodua (CH3NH3PbI3 hoặc MAPbI3) đại diện cho ví dụ nổi bật nhất về LHP với các đặc tính hấp thụ quang học và phản ứng quang tuyệt vời nhưng lại bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi chuyển động ion. Mặc dù không mong muốn cho hoạt động ổn định của các ứng dụng pin mặt trời, nhưng sự tích tụ điện tích ion từ quá trình di chuyển ion do sai lệch trong MAPbI3 có thể được khai thác để pha tạp có chọn lọc các 2DSC gần đó nhằm tạo ra các đi-ốt quang 2D nhạy cảm với perovskite có hiệu suất quang điện tử cao.
Về vấn đề này, các 2DSC mỏng về mặt nguyên tử rất phù hợp để ghép hiệu quả với chất rắn ion. Chúng đóng vai trò là tác nhân pha tạp không cộng hóa trị để tạo ra hiệu ứng pha tạp loại p hoặc loại n có thể cấu hình lại một cách thuận nghịch. Hiệu ứng pha tạp có thể điều chỉnh như vậy tiếp tục cung cấp một loại điốt quang dựa trên 2DSC mới với các cực có thể chuyển đổi. Với sự tích hợp van der Waals của chất rắn ion có đặc tính quang điện tử tuyệt vời, các điốt 2D được hình thành từ hiệu ứng pha tạp ion cung cấp một cách hiệu quả để trích xuất các chất mang quang điện trong MAPbI3.
