Nature：發射性鈣鈦礦半導體中的可控p型和n型行為

一、 【科學背景】??

對于半導體如Si和GaN，正（p）型和負（n）型導電性分別通過將電子接受元素和電子給予摻雜到晶格中來實現。對于鹵化物鈣鈦礦，作為一種新興的半導體，能夠很可靠地控制電荷傳導行為。鹵化物鈣鈦礦已成為光電設備的超級明星材料，除了在太陽能電池研究的熱度之外，這些材料在發光二極管 (LED)、光電探測器和激光器方面也顯示出巨大的潛力。浙江大學光電學院的狄大衛教授團隊報道了一種寬禁帶隙鈣鈦礦半導體，其可控p-和n-型的特點，可以通過將具有強吸電子能力的摻雜劑進行調整，p型和n型樣品的所得載流子濃度超過10¹³ cm^-3，霍爾系數范圍從-0.5 m³ C^-1（n型）到0.6 m³ C^-1（p型）。觀察到費米能級在帶隙中的位移，重要的是，實現了從n型到p型導電性的轉變，同時保持了70- 85%的高光致發光量子產率。在發射鈣鈦礦半導體中的可控摻雜使得能夠在具有簡單架構的鈣鈦礦發光二極管中展示出超高亮度（超過1.1 × 106 cd m?2）和卓越的外部量子效率（28.4%）。相關研究成果以 “Controllable p- and n-type behaviours in emissive perovskite semiconductors”為題目發表在國際頂級期刊Nature上。

二、【科學貢獻】

圖1 通過分子摻雜在寬帶隙鈣鈦礦中的n型到p型轉變。? 2024 Nature

圖2 超低SS和SEHC機制。? 2024 Nature

圖3 分子摻雜過程的DFT計算。? 2024 Nature

圖4 器件性能改進的起源。? 2024 Nature

三、【 創新點】?

? ? ? ?1．理解和改進涉及膦酸分子的鈣鈦礦器件，還指出了通過實現不同極性的摻雜來創建鈣鈦礦p-n結的可能性。

2. 使用4PACz與其具有類似的官能團的分子摻雜劑進行了對照實驗，證實膦酸部分（而不是咔唑基團）是p型摻雜的主要貢獻者。
3. 通過DFT計算了未摻雜鈣鈦礦樣品中空位和間隙缺陷的形成能，在1.57 eV的顯著較低的形成能下，溴空位（V_Br）被認為是未摻雜的鈣鈦礦中的主要缺陷類型。

四、【 科學啟迪】

? ? ? ?通過引入咔唑-膦酸分子摻雜劑4PACz來控制寬帶隙鈣鈦礦中的p型和n型行為，證明了在寬帶隙鈣鈦礦半導體中電導率從n型到p型的連續轉變。DFT計算表明，在4PACz上的膦酸基團與未配位的Pb²⁺形成強鍵，從而有效地充當鈣鈦礦半導體的電子受體。重要的是，實現了從n型到p型導電性的轉變，同時保持了70- 85%的高PLQYs。這種卓越的全能器件與其他種類的溶液處理LED（包括OLED和QD-LED）相比具有顯著的優勢。除了在本文中這些初步的演示，鈣鈦礦半導體的可控摻雜有望為新一代光電器件打開大門。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07792-4