Nature：发射性钙钛矿半导体中的可控p型和n型行为

一、 【科学背景】

对于半导体如Si和GaN，正（p）型和负（n）型导电性分别通过将电子接受元素和电子给予掺杂到晶格中来实现。对于卤化物钙钛矿，作为一种新兴的半导体，能够很可靠地控制电荷传导行为。卤化物钙钛矿已成为光电设备的超级明星材料，除了在太阳能电池研究的热度之外，这些材料在发光二极管 (LED)、光电探测器和激光器方面也显示出巨大的潜力。浙江大学光电学院的狄大卫教授团队报道了一种宽禁带隙钙钛矿半导体，其可控p-和n-型的特点，可以通过将具有强吸电子能力的掺杂剂进行调整，p型和n型样品的所得载流子浓度超过10¹³cm^-3，霍尔系数范围从-0.5 m³C^-1（n型）到0.6 m³C^-1（p型）。观察到费米能级在带隙中的位移，重要的是，实现了从n型到p型导电性的转变，同时保持了70- 85%的高光致发光量子产率。在发射钙钛矿半导体中的可控掺杂使得能够在具有简单架构的钙钛矿发光二极管中展示出超高亮度（超过1.1 × 106 cd m−2）和卓越的外部量子效率（28.4%）。相关研究成果以 “Controllable p- and n-type behaviours in emissive perovskite semiconductors”为题目发表在国际顶级期刊Nature上。

二、【科学贡献】

图1 通过分子掺杂在宽带隙钙钛矿中的n型到p型转变。© 2024 Nature

图2 超低SS和SEHC机制。© 2024 Nature

图3 分子掺杂过程的DFT计算。© 2024 Nature

图4 器件性能改进的起源。© 2024 Nature

三、【 创新点】

1．理解和改进涉及膦酸分子的钙钛矿器件，还指出了通过实现不同极性的掺杂来创建钙钛矿p-n结的可能性。

2. 使用4PACz与其具有类似的官能团的分子掺杂剂进行了对照实验，证实膦酸部分（而不是咔唑基团）是p型掺杂的主要贡献者。
3. 通过DFT计算了未掺杂钙钛矿样品中空位和间隙缺陷的形成能，在1.57 eV的显著较低的形成能下，溴空位（V_Br）被认为是未掺杂的钙钛矿中的主要缺陷类型。

四、【 科学启迪】

通过引入咔唑-膦酸分子掺杂剂4PACz来控制宽带隙钙钛矿中的p型和n型行为，证明了在宽带隙钙钛矿半导体中电导率从n型到p型的连续转变。DFT计算表明，在4PACz上的膦酸基团与未配位的Pb²⁺形成强键，从而有效地充当钙钛矿半导体的电子受体。重要的是，实现了从n型到p型导电性的转变，同时保持了70- 85%的高PLQYs。这种卓越的全能器件与其他种类的溶液处理LED（包括OLED和QD-LED）相比具有显著的优势。除了在本文中这些初步的演示，钙钛矿半导体的可控掺杂有望为新一代光电器件打开大门。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07792-4