研究背景
鈣鈦礦奈米晶體是鈣鈦礦材料最重要的存在形態之一，具有高發光效率（~100%）、窄線寬（< 20 nm）和可調的光學帶隙（1.6－3.1 eV），被認為是製備高效能光電器件的理想材料。近年來，基於鈣鈦礦奈米晶體的光電器件的研究取得了令人矚目的進展。例如，基於鈣鈦礦奈米晶體的太陽能電池的效率已經達到了17.4%，這是半導體奈米晶體太陽能電池獲得的最高效率；紅光和綠光LEDs的外量子效率（EQE）已經達到20%，藍光LEDs的EQE也已經接近10%。進一步提升鈣鈦礦奈米晶體光電器件的效能需要很好地理解可移動電荷在鈣鈦礦奈米晶體薄膜中的輸運機理。然而，到目前為止，鈣鈦礦奈米晶體薄膜中離子-電子輸運的動力學過程尚缺乏系統研究，研究者們對鈣鈦礦奈米晶體薄膜中電子和離子的輸運機理以及電子和離子之間相互作用機制仍然不清楚。
文章簡介
近日，香港中文大學路新慧教授課題組在國際頂級期刊ACS Energy Letters (影響因子：19.003) 上發表題為“Understanding Charge Transport in All-Inorganic Halide Perovskite Nanocrystal Thin-Film Field Effect Transistors”的研究工作。該工作以瞬態電學響應和變溫薄膜電晶體測試為主要手段，首次系統性地研究了CsPbBr3-NC薄膜中離子-電子輸運的動力學行為和機理。揭示了暗環境下CsPbBr3-NC薄膜中電子電導的主導地位，以及外電場誘導下離子遷移引起的p型自摻雜效應。明確了CsPbBr3-NC薄膜中宏觀電導轉變背後的微觀機制，和室溫下柵壓無法調控FET溝道電導的深層次原因，並建立了相應的物理模型。在低溫下（T < 240 K），CsPbBr3-NC薄膜中的離子遷移被有效抑制，自摻雜引起的載流子濃度變化對於溝道電導的影響被消除，FET測試開始出現柵壓調控的p型單極輸運特性，以及明確的線性區和飽和區。非等價的Bi3+和Ag+摻雜進一步證實了CsPbBr3-NC薄膜中可調的p型輸運特性，實現了FET器件從常關（p溝道增強型）到常開（p溝道耗盡型）狀態的調節。該論文第一作者為中山大學周述副教授香港中文大學路新慧教授為本文通訊作者
要點解析
要點一：CsPbBr3奈米晶體薄膜FET器件結構和瞬態電學響應特性
圖1.
（a）CsPbBr3-NC薄膜FET器件結構示意圖。（b-c）CsPbBr3 NC的TEM圖。（d）CsPbBr3 NC的FTIR圖。（e-g）300 K下測量的CsPbBr3-NC薄膜的瞬態響應曲線。（h）不同場強（F）下CsPbBr3-NC薄膜的瞬態響應曲線。（i）瞬態電流變化I1-I0（j）響應時間τ。
要點二：CsPbBr3 奈米晶體薄膜中的離子和電子輸運機制
圖2.
（a-b）不同溫度下CsPbBr3-NC薄膜的瞬態響應特性。（c）瞬態電流變化I1-I0和（d）響應時間τ。（e）溫度和電場依賴的CsPbBr3-NC薄膜的瞬態響應示意圖。（f）CsPbBr3-NC薄膜中空穴在不同NC能級間躍遷。（g）CsPbBr3-NC薄膜中離子遷移的物理模型。
要點三：CsPbBr3奈米晶體薄膜FET的p型單極輸運特性
圖3.
（a）CsPbBr3-NC薄膜FET中溝道電導的調控機制。（b-c) 100-300 K範圍FET的轉移特性。（d-e) 低溫下（100 K）FET的輸出特性。（f）溫度依賴的場效應空穴遷移率。
要點四：CsPbBr3奈米晶體中的非等價金屬離子摻雜
圖4.
（a-c）基於Bi3+ 摻雜、未摻雜和Ag+ 摻雜CsPbBr3-NC薄膜的FET的轉移特性（d-f）FET器件從常關（p溝道增強型）到常開（p溝道耗盡型）狀態的轉換。
結論
我們提出瞬態電學響應和薄膜電晶體測試相結合的策略，首次系統性地研究了CsPbBr3-NC薄膜中離子-電子的輸運機理。研究結果表明，在暗環境下CsPbBr3-NC薄膜中電子電導佔據主導地位。與鈣鈦礦多晶薄膜不同，我們發現 CsPbBr3-NC薄膜中的瞬態電導隨著外加偏壓的時間延長顯著增大，這種特性會隨著電場強度（F < 0.5 V/μm）和溫度（T < 240 K）的降低逐漸消失。進一步的變溫薄膜電晶體測試證明了外電場下離子遷移引起的p型自摻雜是薄膜電導顯著增強的主要原因。在室溫下，自摻雜引起的電導變化要遠大於柵壓對溝道電導的調控作用，導致 FET器件的失效。而當離子遷移被限制時（T < 240 K），FET器件顯示出柵壓可調的p型單極輸運特性和明確的線性區和飽和區，這也是首次在鈣鈦礦奈米晶體薄膜FET器件中觀測到明確的線性區和飽和區。電場下離子遷移引起的自摻雜（無意摻雜）被抑制，為準確評價非等價金屬離子摻雜（有意摻雜）對CsPbBr3-NC電學性質的影響提供了可能。結果顯示，Bi3+摻雜可以提高CsPbBr3-NC的費米能級，將器件切換到常關（p溝道增強型）的狀態；而Ag+的摻入會降低費米能級，並將器件切換到常開（p溝道耗盡型）的狀態。最終，器件的開關比達到了~104，空穴遷移率μh接近10-3 cm2V-1s-1，閾值電壓Vth在-30至20 V範圍內可調。我們希望這項研究能夠為鈣鈦礦奈米晶體薄膜光電器件的效能提升，以及以奈米晶體為結構單元的離子半導體器件的物理機制研究提供借鑑。
文章連結:Understanding Charge Transport in All-Inorganic Halide Perovskite Nanocrystal Thin-Film Field Effect Transistorshttps://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c01295