Một chiến lược mới để chế tạo bóng bán dẫn perovskite màng mỏng thiếc hiệu suất cao
Chế tạo có thể mở rộng và độ ổn định lưu trữ lâu dài của TFT CsSnI3:PbCl2. Nguồn: Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01380-8
Perovskite halogen thiếc, một loại vật liệu gốc thiếc có cấu trúc tinh thể đặc trưng giống với cấu trúc tinh thể của hợp chất canxi titanat, có thể là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các chất bán dẫn thường được sử dụng. Các nghiên cứu trước đây đã khám phá khả năng sử dụng các vật liệu này để chế tạo bóng bán dẫn màng mỏng kênh p (TFT), các thiết bị được sử dụng để kiểm soát và khuếch đại dòng điện tích trong các thiết bị điện tử.
Tuy nhiên, cho đến nay, việc chế tạo và tích hợp đáng tin cậy các perovskite màng mỏng vào các thiết bị điện tử có sẵn trên thị trường vẫn còn nhiều thách thức. Một phần là do những khó khăn gặp phải khi cố gắng sản xuất các màng perovskite đồng nhất với các đặc tính điện tử nhất quán bằng các phương pháp có thể mở rộng và tương thích với ngành.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang gần đây đã giới thiệu một chiến lược mới đầy hứa hẹn để chế tạo TFT hiệu suất cao dựa trên perovskite halogen thiếc. Phương pháp của họ, được nêu trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature Electronics, dựa trên quá trình bốc hơi nhiệt và sử dụng chì clorua (PbCl2) làm chất khởi tạo phản ứng.
"Ấn phẩm gần đây của chúng tôi khám phá quá trình chuyển đổi từ perovskite halogen thiếc được xử lý bằng dung dịch sang perovskite lắng đọng bằng hơi cho bóng bán dẫn kênh p", Giáo sư Yong-Young Noh, tác giả chính của bài báo, cho biết với Tech Xplore. "Dựa trên nhiều năm làm việc để tối ưu hóa tính di động của lỗ cao thông qua các phương pháp dựa trên dung dịch, hiện chúng tôi giải quyết thách thức cấp bách là phải căn chỉnh chất bán dẫn perovskite với quy trình sản xuất theo tiêu chuẩn công nghiệp. Ví dụ, ngành công nghiệp OLED hiện đang sản xuất màn hình thế hệ thứ 8 với kích thước đế vượt quá 2 m x 2 m bằng quy trình bốc hơi nhiệt".
Là một phần trong nghiên cứu của mình, Giáo sư Noh và các đồng nghiệp đã so sánh hiệu suất của các kỹ thuật xử lý dung dịch và lắng đọng hơi để chế tạo các TFT perovskite halogen thiếc đáng tin cậy. Sự so sánh này cho phép họ xác định các thông số chính góp phần tạo ra các màng perovskite thiếc lắng đọng hơi chất lượng cao với mật độ lỗ và độ linh động phù hợp.
Dựa trên các thông số này, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp mới để chế tạo các TFT perovskite thiếc hiệu suất cao. Chiến lược đề xuất của họ bao gồm việc sử dụng lắng đọng hơi để lắng đọng tuần tự PbCl2, iodide thiếc (SnI2) và iodide xesi (CsI) lên một chất nền.
"Trong khi sự kết hợp của các tiền chất khởi đầu này tạo thành perovskite gốc xesi-tin-iodide (CsSnI3), thì PbCl2 lắng đọng dưới dạng lớp cơ bản nhất đóng vai trò là kỹ thuật lắng đọng chính để chế tạo các màng chất lượng cao", Giáo sư Noh giải thích. "Cl2 dễ bay hơi khởi tạo các phản ứng trạng thái rắn thúc đẩy quá trình biến đổi vật liệu tiền chất được lắng đọng. Quá trình này thúc đẩy sự hình thành các màng perovskite đồng nhất, chất lượng cao đồng thời điều chỉnh mật độ lỗ ở mức phù hợp để sử dụng làm lớp kênh bóng bán dẫn."
Đặc điểm điện của các bóng bán dẫn perovskite thiếc lắng đọng bằng hơi. Nguồn: Reo và cộng sự
Công trình gần đây của Giáo sư Noh và các đồng nghiệp có thể đại diện cho một bước tiến quan trọng hướng tới sự phát triển quy mô lớn của TFT halogen thiếc thông qua lắng đọng hơi. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi được sử dụng làm chất phụ gia, PbCl2 khởi tạo thành công các phản ứng trạng thái rắn, cho phép hình thành các màng perovskite chất lượng cao.
"Ngoài ra, các bóng bán dẫn kênh p được tối ưu hóa của chúng tôi đạt được hiệu suất tuyệt vời, với độ linh động lỗ trung bình là 33,8 cm2/Vs và tỷ lệ dòng điện bật/tắt khoảng 108, tương đương với—và ở một số khía cạnh, vượt trội hơn—các thiết bị được xử lý bằng dung dịch", Giáo sư Noh cho biết.
"Mặc dù việc chế tạo bóng bán dẫn perovskite bằng quy trình lắng đọng đã được báo cáo trước đây, nhưng tính di động rất thấp ở mức dưới 1 cm2/Vs, do đó, nó còn lâu mới đạt đến mức thương mại hóa. Cuối cùng, bóng bán dẫn lắng đọng hơi của chúng tôi đã chứng minh được độ ổn định được cải thiện đáng kể, đánh dấu bước tiến lớn hướng tới các ứng dụng thực tế và có thể mở rộng quy mô."
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng chiến lược đề xuất của họ để phát triển các bóng bán dẫn mới, sau đó họ đã thử nghiệm và so sánh chúng với các bóng bán dẫn khác thường được tích hợp trong điốt phát quang hữu cơ (OLED). Họ phát hiện ra rằng bóng bán dẫn của họ hoạt động tốt hơn đáng kể so với bóng bán dẫn oxit dựa trên IGZO hiện đang được thương mại hóa dưới dạng mạch điều khiển OLED.
Giáo sư Noh và các đồng nghiệp của ông dự đoán rằng TFT loại p của họ có thể cải thiện hiệu suất và giảm mức tiêu thụ điện năng của OLED. Nghiên cứu của họ cũng có thể truyền cảm hứng cho các nhóm nghiên cứu khác khám phá tiềm năng của các chiến lược dựa trên lắng đọng hơi để chế tạo bóng bán dẫn dựa trên perovskite halide thiếc có thể mở rộng quy mô. Trong tương lai, những phát hiện do nhóm nghiên cứu này thu thập cũng có thể mở ra những khả năng mới thú vị cho sự phát triển của VLSI (hệ thống tích hợp quy mô rất lớn) có chi phí thấp, diện tích lớn.
n) thiết bị điện tử và kiến trúc mạch xếp chồng theo chiều dọc.
"Với quá trình lắng đọng hơi thành công của màng perovskite thiếc-halide chất lượng cao, nghiên cứu trong tương lai của chúng tôi sẽ tập trung vào hai lĩnh vực chính: kỹ thuật vật liệu tiên tiến và tích hợp thiết bị", Giáo sư Noh cho biết. "Về mặt vật liệu, chúng tôi đặt mục tiêu khám phá các biến thể thành phần mới để cho phép xử lý ở nhiệt độ thấp hơn, đồng thời tinh chỉnh khả năng kiểm soát các thông số thiết bị như điện áp bật và độ trễ để vận hành đáng tin cậy".
Các nhà nghiên cứu hiện đang hoàn thiện quy trình lắng đọng hơi được sử dụng trong nghiên cứu gần đây của họ và xác nhận thêm tiềm năng của quy trình này. Ngoài ra, họ hy vọng sẽ sớm mở rộng các lĩnh vực mà các bóng bán dẫn thu được có thể được áp dụng, bằng cách tăng khả năng di động của lỗ và tỷ lệ bật/tắt dòng điện của chúng.
"Về mặt ứng dụng, lắng đọng hơi mở ra cánh cửa cho việc xếp chồng theo chiều dọc các lớp perovskite, mở đường cho các kiến trúc mạch phức tạp hơn mà không cần dựa vào quang khắc dựa trên dung môi", Giáo sư Noh cho biết thêm. "Những hướng đi này mang đến những cơ hội thú vị để mở rộng ranh giới của thiết bị điện tử dựa trên perovskite".
Thông tin thêm: Youjin Reo et al, Transistor perovskite thiếc hiệu suất cao lắng đọng hơi, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01380-8.
Thông tin tạp chí: Nature Electronics
