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技术允许将单晶混合钙钛矿结合到电子器件中

2018-12-21 10:51:45来源:

一个国际研究团队开发出一种技术,该技术首次将单晶混合钙钛矿材料集成到电子产品中。因为这些钙钛矿可以在低温下合成,所以这一进步为灵活电子产品的新研究打开了大门,并可能降低电子设备的制造成本。

混合钙钛矿材料含有有机和无机成分,可以用油墨合成,使其适合大面积卷对卷制造。这些材料是用于太阳能电池,发光二极管(LED)和光电探测器的广泛研究的主题。然而,将单晶混合钙钛矿结合到更经典的电子器件(例如晶体管)中存在挑战。

单晶混合钙钛矿是优选的,因为单晶材料比多晶材料具有更理想的性能;多晶材料含有更多的缺陷,对材料的电子特性产生不利影响。

将单晶混合钙钛矿结合到电子器件中的挑战源于这样的事实:当使用常规技术合成时,这些宏观晶体具有粗糙的不规则边缘。这使得难以与其他材料集成,使得材料在电子设备中形成必要的高质量接触。

研究人员通过在两个层压表面之间合成混合钙钛矿晶体来解决这个问题,基本上创造了单晶混合钙钛矿夹层。钙钛矿符合上下材料,使材料之间形成清晰的界面。基板和覆板,三明治中的“面包”可以是从玻璃载玻片到已经嵌入电极的硅晶片的任何东西 - 产生现成的晶体管或电路。

研究人员可以通过选择用于钙钛矿化学成分的不同卤化物来进一步微调钙钛矿的电学性质。卤化物的选择决定了材料的带隙,这会影响所得半导体的颜色外观,并且当使用高带隙钙钛矿时会导致透明且甚至不易察觉的电子器件。

“我们已经展示了使用在环境空气中制造的单晶混合钙钛矿材料制造工作场效应晶体管的能力,”Aram Amassian说道,该工作论文的通讯作者兼北卡罗来纳州材料科学与工程副教授。

“这是有趣的,因为传统的单晶材料必须在超高真空,高温环境下制造,并且通常需要精细的外延生长,”Amassian说。“混合钙钛矿可以在温度低于100摄氏度的环境空气中从溶液中生长,主要是从油墨中生长。这使得它们从成本和制造的角度来看具有吸引力。它还使它们与柔性塑料基材兼容,这意味着它们可能应用于柔性电子产品和物联网(IoT)。

“也就是说,这里仍存在重大挑战,”阿马西斯说。“例如,目前的混合钙钛矿含有铅,这是有毒的,因此不适合像可穿戴电子产品这样的应用。但是,正在研究开发不含铅或甚至完全不含金属的混合钙钛矿。这是一个令人兴奋的研究领域,我们认为这项工作是这些材料设备集成的重要一步,从而促进了新技术应用的发展。“