加州大学洛杉矶分校段镶锋Nat. Nanotech.：用范德华接触探测卤化物钙钛矿中的光电输运

【引言】

尽管卤化物钙钛矿在高性能光伏器件，发光二极管（LED）和辐射检测器件中具有巨大的应用潜力，但对其载流子输运特性的基本了解仍然落后，这主要是由于难以形成高质量的电接触进行直接的电学测试。特别地，卤化物钙钛矿通常可溶于各种溶剂中并且与典型的光刻工艺不相容，而且它们非常脆弱，在常规的真空金属沉积工艺中容易被破坏分解。因此，使用传统的光刻技术来形成可靠的电接触对于卤化物钙钛矿来说仍然是一个长期的挑战。受不良电接触的困扰（通常是接触电阻R_c比固有的材料电阻大三个数量级），钙钛矿固有的电输运性能通常会被严重地低估（。此外，金属卤化物钙钛矿具有离子型“软晶格”，在室温下具有显著的离子移动和电流漂移，这使基本电输运性质的精确测量和分析变得更加复杂。

【成果简介】

金属卤化物钙钛矿因其在各种光电器件中令人兴奋的潜力而引起了越来越多的兴趣。然而，由于过大的接触电阻和在室温下较大的电滞回现象，它们的载流子输运性能仍然难以捉摸。加州大学洛杉矶分校段镶锋（通讯作者）等人报道了一种范德华（van der Waals）集成方法，该方法可在单晶卤化物钙钛矿薄膜上构建高性能电接触，同时将界面破坏降至最低，从而达到了原子级清洁的界面。与沉积的接触相比，这个工作的范德华接触显示出降低了两到三个数量级的接触电阻，从而可以在较宽的温度范围内进行系统的输运性能研究。工作报道了钙钛矿薄膜中的霍尔迁移率在80 K附近超过2000 cm²V^-1s^-1，超低双分子复合系数为3.5×10^-15cm³/s和超过 10⁶的光电流增益。此外，磁输运研究揭示了量子干涉引起的弱局域化行为，在3.5 K时相干长度高达49 nm，研究结果为探索这类“软晶格”材料的新物理学奠定了基础。该成果以题为“Probing photoelectrical transport in lead halide perovskites with van der Waals contacts”发表在Nat. Nanotech.上。

【图文导读】

图1.CsPbBr₃单晶薄膜的表征

a.在白云母上生长的CsPbBr₃薄膜的X射线衍射图仅显示（00l）平面，表明高度取向的生长

b.CsPbBr₃薄膜的（110）极图显示了四个极，它们的等距间隔对应于{110}族的对称平面

C.成膜后的大面积AFM图像，线轮廓显示了膜的厚度

d.CsPbBr₃薄膜表面形貌的3D图像以及相应的线轮廓图，突出显示了具有0.19 nm小均方根粗糙度的超光滑表面

e.CsPbBr₃薄膜的光致发光光谱

f.阳光直射下成膜的CsPbBr₃薄膜和旋涂薄膜的照片

图2.通过转移方法形成无损伤的vdW接触

a.通过转移法得到接触的示意图

b.在整个基板上转移的电极阵列的照片，允许在厘米级的钙钛矿薄膜上集成电极阵列

c.钙钛矿薄膜上转移的金电极阵列的照片，以及具有2μm沟道长度的两端器件的特写照片

d,e.钙钛矿薄膜上沉积的电极剥离前后的照片和光致发光图像

f,g.钙钛矿薄膜上转移的电极剥离前后的照片和光致发光图像

h.沉积和转移电极覆盖的区域在电极被剥离后的光致发光发射光谱

i,j.具有沉积电极和vdW电极的CsPbBr₃薄膜的横截面的扫描透射电子显微镜图像

k,l.CsPbBr₃薄膜横截面的高分辨率透射电子显微镜图像，其中沉积的电极显示出电极下方的无序界面（k），转移的电极显示出原子级锐利的界面（l）

图3.vdW接触的性能

a.通过vdW-contact方法制备的典型霍尔棒器件的照片

b.在蓝色LED照明功率密度为18.8 mW/cm²的情况下，具有沉积（蓝色）和vdW（红色）接触的器件的室温IV

c.在各种温度下具有沉积接触和vdW接触的器件的接触电阻和沟道电阻的比较

d,e.在各种光照强度下，室温（d）和3.5 K（e）的vdW接触器件的IV特性

f.vdW接触在不同温度下与照明功率有关的接触电阻

图4.使用vdW接触探测钙钛矿的光电载流子动力学

a.在不同温度下的电阻漂移，突出了室温下由施加偏压引起的离子运动，导致相当大的电阻漂移。这种电阻漂移可以通过降温冻结，并且在200 K以下消除

b.在不同温度下随照明功率变化的载流子密度n_h

c.从b中提取的温度相关的单分子（黑色）和双分子（蓝色）电子-空穴复合系数

d.直接瞬态光电流测量确定的载流子复合寿命与c中从重组系数中提取的载流子复合寿命之间的比较

e.在不同载流子浓度下霍尔迁移率随温度的变化

f.通道长度为2µm的两端光电导体器件的光电流增益值

图5.最低温度下的磁阻

a.从20 K到3.5 K的弱局域化信号与拟合

b.相干长度与温度的关系

【小结】

通过高质量的vdW接触，实现了对“软晶格”离子型卤化物钙钛矿中高霍尔迁移率和量子干涉引起的弱局域化效应的可靠观察，表明可以将钙钛矿作为基础输运研究的独特材料平台，也是超越常规共价半导体的新物理学探索。并可以扩展金属接触属在卤化物钙钛矿上的无损集成，创建具有高度透明界面的其他功能性接触（例如，铁磁或超导金属接触），从而能够探测卤化物钙钛矿中的其他奇异特性。钙钛矿不仅在高性能光伏器件和发光器件中表现优异，还表现出许多其他吸引人的特性，例如，它们具有巨大的自旋轨道耦合，可应用于自旋电子学器件。然而，尽管对于钙钛矿的自旋电子学的光学研究进展令人振奋，但迄今为止，相关的输运研究在很大程度上一直受到不良接触的困扰。因此，制备高质量的接触对于可靠的自旋输运研究至关重要，可以充分释放此类独特材料的潜力。这种vdW集成方法通常还适用于各种易损坏的材料，包括有机晶体和分子单分子层，并为探索这些用于基础研究和高性能器件的非常规电子材料提供了契机。

文献链接：Probing photoelectrical transport in lead halide perovskites with van der Waals contacts.Nat. Nanotech.,2020, DOI: 10.1038/s41565-020-0729-y

本文由材料人学术组tt供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。