基于有机单晶和钙钛矿的光电晶体管研究

The objective of this project is to fabricate high responsive, high sensitivity phototransistors based on perovskite and organic single crystals. The first strategy is the combine the organic single crystal and perovskite film. Perovskite has the advantages of high absorption coefficient and long carrier lifetime. The organic single crystal field effect transistor (FET) takes the advantages of high carrier mobility and low off state current. In this project, the condense perovskite film will be deposited on the organic single crystal by the method of spin coating, coevaperation and hydrophobic perovskite precursor. Under illumination, the photo induced carriers migrate to perovskite / organic single crystal interface and charge transfer occurred. Strategy two we will grow perovskite single crystals by two steps: the first step is to grow the PbI2 single crystals in size of hundreds of micro meters, thickness less than 400 nm. At meantime, we use the solution epitaxial method to grow the PbI2 2D single crystals with dimensions in millimeters and thickness less than 50 nm; the second step is to transfer PbI2 to perovskite single crystals through CVD method or solution immersion.

本项目目标为制备基于钙钛矿材料和有机单晶的高响应度，高灵敏度光电晶体管。策略一采用有机单晶和钙钛矿薄膜复合结构制备光电晶体管。钙钛矿具有吸光系数高和载流子寿命长的优势，有机单晶场效应晶体管具高载流子迁移率和低关态电流。通过旋涂，共蒸和采用疏水型钙钛矿前驱体的方法在有机单晶表面沉积致密钙钛矿薄膜。光照下，钙钛矿层内光生载流子迁移至钙钛矿/有机单晶界面并发生电荷转移，有机单晶内载流子浓度增大从而实现光探测。策略二我们将通过两步法生长大尺寸，小厚度钙钛矿单晶并制备光电晶体管：第一步通过滴涂法生长尺寸在数百微米，厚度在400纳米内的碘化铅单晶，同时我们将采用溶液外延法生长尺寸在毫米级，厚度在50纳米以内的2D 碘化铅；第二步通过化学气相沉积法或者溶液浸泡法将碘化铅与甲胺碘或其它含有机基团的前驱体进行反应以转化成钙钛矿单晶。

通过本项目的资助，我们研究了基于单晶OTFT，单晶光电晶体管以及n型OTFT的迟滞效应的问题：1）基于红荧烯的单晶器件及其光存储效应研究，通过气象物理法生长了红荧烯的单晶，得到条带状单晶，并采用精细掩膜版制备了TFT器件。得到线性迁移率3.47 cm2V-1s-1和饱和迁移率4.53 cm2V-1s-1。发现其在暗态下和光照下的迟滞性不一样：暗态下几乎无迟滞现象，而光照下迟滞现象明显。在光照下能将光信号写入红荧烯光存储器中，存储后的光电流能保持数天不衰减，而通过栅压加载的方式，又可以将该信号清洗掉，表现出完整的存储器件的性能。进一步的，通过对比FPI和SiO2两种介电层衬底制备的红荧烯单晶器件，以及XPS对红荧烯的表征，我们得出光存储器的工作原理为界面或红荧烯内部的深层级缺陷引起的存储效应，即光生载流子能被深能级电子陷阱捕获，得到自由移动的空穴，而大栅压能将深能级的电子重新激发出来，从而恢复原来状态。2）基于蒽-BTBT的单晶生长以及光电器件制备，我们制备了基于2BTBT单晶的光电晶体管，对其光响应特性进行表征，得到最大光响应度7136 AW-1@17.7 uW/cm2，光对比度达到1576的单晶光电晶体管，通过计算得到其外量子效率>1000%。3）n型半导体场效应晶体管的迟滞性研究，我们制备了基于两种不同取代基的萘四羧酸二亚胺（NDI）衍生物NDI-BOCF3和NDI-C6的n型OFETs器件，以正辛基三氯硅烷（OTS）处理的SiO2（OTS/SiO2）为栅介质，并观察到两种器件明显不同的迟滞效应，基于NDI-BOCF3的器件表现出几乎无迟滞效应，而NDI-C6表现出非常严重的迟滞现象，我们将这一优异的零迟滞效应归结为OCF3基团的引入，能形成致密的分子排列，并很好的隔绝了H2O/O2的吸收。