Small: 钙钛矿晶体管中的非理想电荷输运特性起源

一、【导读】

离子迁移现象仍是主要影响钙钛矿光电器件稳定性的因素。通过钝化缺陷的策略可将钙钛矿太阳能电池的ECE提升到25%以上。目前被报导的钙钛矿场效应管(FETs)的迁移率早已超过1cm²/Vs，但离子迁移导致的不稳定性依然亟待克服，尤其是FET器件的偏压稳定性 (bias-stress stability)。铅基 (APbX₃) 钙钛矿的偏压稳定性仍无法与常用有机晶体管相媲美。钙钛矿的非理想电荷输运特征 (non-idealities)较为复杂，除了离子迁移的贡献，也与电极/半导体界面的稳定性紧密相关。

二、【成果掠影】

近日，剑桥大学物理系Henning Sirringhaus团队在期刊Small上发表题为 “Direct Observation of Contact Reaction Induced Ion Migration and its Effect on Non-Ideal Charge Transport in Lead Triiodide Perovskite Field-Effect Transistors”的论文。 该工作聚焦n-型三元阳离子碘化铅钙钛矿(CsFAMAPbI₃)场效应管中电荷输运的非理想特性，在器件层面直接观测到偏压下接触金属电极原子的电化学迁移现象，这种迁移导致了器件的n-型掺杂和不断升高的电流和迁移率。该工作研究了电极材料功函数和碘化铅过量/缺乏情形对FET器件偏压稳定性的影响，系统地解释了电极-钙钛矿电化学反应和外来金属离子影响FET器件性能的机理。

三、【核心创新点】

1.观测到源-漏极(S-D)横向偏压下，金电极钙钛矿FET器件的开态电流(on-state current)和迁移率会随着转移曲线测试循环次数的增加而不断升高的现象，命名为“电流增强效应” (current build-up effect)。

2.测试了不同功函数的接触电极(S-D contacts)对电流增强效应的影响，发现高功函数(WF>=Au)电极的器件在偏压下普遍具有电流增强效应，低功函数(WF>=Au)电极器件的电流则逐渐衰减。

3.测量了CsFAMAPbI₃中化学计量数（stoichiometry）对电流增强效应的影响。对于金电极器件，过量(excess)或缺乏(deficient)的PbI₂成分都会导致较为显著的电流增强效应，其中尤以过量PbI₂带来的电流增强效应最为显著。对于铬金属电极器件，无论PbI₂过量或缺乏都会发生电流衰减。

4.对器件偏压前和偏压后沟道和电极区域进行了PL mapping。发现PL quenching普遍存在，对于金电极器件最为显著，电极区域和漏极(drain, +)附近PL全部淬灭。但铬电极器件的电极区域仍保持较高的信号信号，漏极(drain, +)附近的沟道仅有小范围淬灭。

5.对偏压过的器件的电极界面区域进行了SEM形貌表征和元素分析mapping。发现在金电极器件中，漏极(drain, +)附近的沟道可见金纳米颗粒，源极(source, -)附近无变化。且PbI₂过量时金的迁移最严重，PbI₂缺乏的情况下金的迁移相对缓慢。对于低功函数的铬电极器件，漏极(drain,+)附近无变化，源极(source,-)界面处有铅颗粒的形成。最后以电极反应导致的金属离子掺杂为

四、【数据概览】

图1.钙钛矿场效应管中的电流升高效应。

图2.不同功函数的电极器件中的电流增强和衰减现象。

图3. 钙钛矿化学计量数（PbI2-to-CsFAMAI ratio）对金电极器件和铬电极器件中电流增强和衰减现象的影响。

图4. 不同PbI2-to-CsFAMAI ratio成分钙钛矿的 XRD和SEM形貌。

图5.偏压后的原位PL mapping表征。

图6. 器件循环后，接触电极界面处（横向）的形貌和EDX mapping，以及机理归纳。

图7. 目录导览: Au⁺的迁移掺杂导致钙钛矿FET器件的电流增强效应。

五、【成果启示】

该工作的发表深化了钙钛矿FET领域对离子迁移、接触电极反应以及三碘化铅钙钛矿FET器件的非理想特性来源的理解。这些发现揭示了偏压诱导的外来金属离子迁移如何在器件层面影响电荷传输，显示出当钙钛矿直接与金属接触时，这种现象存在的广泛性。这项工作强调了接触金属的谨慎选择和成分的精确调控对于成功设计耐用可靠的钙钛矿的光电器件的关键作用。

原文详情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202302494

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