加州大學洛杉磯分校段鑲鋒Nat. Nanotech.：用范德華接觸探測鹵化物鈣鈦礦中的光電輸運

【引言】

盡管鹵化物鈣鈦礦在高性能光伏器件，發光二極管（LED）和輻射檢測器件中具有巨大的應用潛力，但對其載流子輸運特性的基本了解仍然落后，這主要是由于難以形成高質量的電接觸進行直接的電學測試。特別地，鹵化物鈣鈦礦通常可溶于各種溶劑中并且與典型的光刻工藝不相容，而且它們非常脆弱，在常規的真空金屬沉積工藝中容易被破壞分解。因此，使用傳統的光刻技術來形成可靠的電接觸對于鹵化物鈣鈦礦來說仍然是一個長期的挑戰。受不良電接觸的困擾（通常是接觸電阻R_c比固有的材料電阻大三個數量級），鈣鈦礦固有的電輸運性能通常會被嚴重地低估（。此外，金屬鹵化物鈣鈦礦具有離子型“軟晶格”，在室溫下具有顯著的離子移動和電流漂移，這使基本電輸運性質的精確測量和分析變得更加復雜。

【成果簡介】

??????? 金屬鹵化物鈣鈦礦因其在各種光電器件中令人興奮的潛力而引起了越來越多的興趣。然而，由于過大的接觸電阻和在室溫下較大的電滯回現象，它們的載流子輸運性能仍然難以捉摸。加州大學洛杉磯分校段鑲鋒（通訊作者）等人報道了一種范德華（van der Waals）集成方法，該方法可在單晶鹵化物鈣鈦礦薄膜上構建高性能電接觸，同時將界面破壞降至最低，從而達到了原子級清潔的界面。與沉積的接觸相比，這個工作的范德華接觸顯示出降低了兩到三個數量級的接觸電阻，從而可以在較寬的溫度范圍內進行系統的輸運性能研究。工作報道了鈣鈦礦薄膜中的霍爾遷移率在80 K附近超過2000 cm²V^-1s^-1，超低雙分子復合系數為3.5×10^-15 cm³/s和超過 10⁶的光電流增益。此外，磁輸運研究揭示了量子干涉引起的弱局域化行為，在3.5 K時相干長度高達49 nm，研究結果為探索這類“軟晶格”材料的新物理學奠定了基礎。該成果以題為“Probing photoelectrical transport in lead halide perovskites with van der Waals contacts”發表在Nat. Nanotech.上。

【圖文導讀】

圖1.CsPbBr₃單晶薄膜的表征

a.在白云母上生長的CsPbBr₃薄膜的X射線衍射圖僅顯示（00l）平面，表明高度取向的生長

b.CsPbBr₃薄膜的（110）極圖顯示了四個極，它們的等距間隔對應于{110}族的對稱平面

C.成膜后的大面積AFM圖像，線輪廓顯示了膜的厚度

d.CsPbBr₃薄膜表面形貌的3D圖像以及相應的線輪廓圖，突出顯示了具有0.19 nm小均方根粗糙度的超光滑表面

e.CsPbBr₃薄膜的光致發光光譜

f.陽光直射下成膜的CsPbBr₃薄膜和旋涂薄膜的照片

圖2.通過轉移方法形成無損傷的vdW接觸

a.通過轉移法得到接觸的示意圖

b.在整個基板上轉移的電極陣列的照片，允許在厘米級的鈣鈦礦薄膜上集成電極陣列

c.鈣鈦礦薄膜上轉移的金電極陣列的照片，以及具有2μm溝道長度的兩端器件的特寫照片

d,e.鈣鈦礦薄膜上沉積的電極剝離前后的照片和光致發光圖像

f,g.鈣鈦礦薄膜上轉移的電極剝離前后的照片和光致發光圖像

h.沉積和轉移電極覆蓋的區域在電極被剝離后的光致發光發射光譜

i,j.具有沉積電極和vdW電極的CsPbBr₃薄膜的橫截面的掃描透射電子顯微鏡圖像

k,l.CsPbBr₃薄膜橫截面的高分辨率透射電子顯微鏡圖像，其中沉積的電極顯示出電極下方的無序界面（k），轉移的電極顯示出原子級銳利的界面（l）

圖3.vdW接觸的性能

a.通過vdW-contact方法制備的典型霍爾棒器件的照片

b.在藍色LED照明功率密度為18.8 mW/cm²的情況下，具有沉積（藍色）和vdW（紅色）接觸的器件的室溫IV

c.在各種溫度下具有沉積接觸和vdW接觸的器件的接觸電阻和溝道電阻的比較

d,e.在各種光照強度下，室溫（d）和3.5 K（e）的vdW接觸器件的IV特性

f.vdW接觸在不同溫度下與照明功率有關的接觸電阻

圖4.使用vdW接觸探測鈣鈦礦的光電載流子動力學

a.在不同溫度下的電阻漂移，突出了室溫下由施加偏壓引起的離子運動，導致相當大的電阻漂移。這種電阻漂移可以通過降溫凍結，并且在200 K以下消除

b.在不同溫度下隨照明功率變化的載流子密度n_h

c.從b中提取的溫度相關的單分子（黑色）和雙分子（藍色）電子-空穴復合系數

d.直接瞬態光電流測量確定的載流子復合壽命與c中從重組系數中提取的載流子復合壽命之間的比較

e.在不同載流子濃度下霍爾遷移率隨溫度的變化

f.通道長度為2μm的兩端光電導體器件的光電流增益值

圖5.最低溫度下的磁阻

a.從20 K到3.5 K的弱局域化信號與擬合

b.相干長度與溫度的關系

【小結】

通過高質量的vdW接觸，實現了對“軟晶格”離子型鹵化物鈣鈦礦中高霍爾遷移率和量子干涉引起的弱局域化效應的可靠觀察，表明可以將鈣鈦礦作為基礎輸運研究的獨特材料平臺，也是超越常規共價半導體的新物理學探索。并可以擴展金屬接觸屬在鹵化物鈣鈦礦上的無損集成，創建具有高度透明界面的其他功能性接觸（例如，鐵磁或超導金屬接觸），從而能夠探測鹵化物鈣鈦礦中的其他奇異特性。鈣鈦礦不僅在高性能光伏器件和發光器件中表現優異，還表現出許多其他吸引人的特性，例如，它們具有巨大的自旋軌道耦合，可應用于自旋電子學器件。然而，盡管對于鈣鈦礦的自旋電子學的光學研究進展令人振奮，但迄今為止，相關的輸運研究在很大程度上一直受到不良接觸的困擾。因此，制備高質量的接觸對于可靠的自旋輸運研究至關重要，可以充分釋放此類獨特材料的潛力。這種vdW集成方法通常還適用于各種易損壞的材料，包括有機晶體和分子單分子層，并為探索這些用于基礎研究和高性能器件的非常規電子材料提供了契機。

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

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?