Adv.Mater.：一種濕法加工的高性能光電晶體管-基于鈣鈦礦/摻雜石墨烯復合材料

【引言】

有機金屬鹵化物材料憑借其高吸收系數、雙極電荷傳輸、長激子擴散長度、激子結合能低等優勢，在光電探測領域有巨大應用潛力。在所有光電探測設備中，光電晶體管能通過施加一個門電壓來調制載流子在通道材料中的運輸。但是，基于原始鈣鈦礦材料的光電晶體管由于其本身載流子遷移率和電極調節的原因光響應度相對較低R (≤320 A W^?1)。所以，由鈣鈦礦材料和二維材料比如石墨烯、二硫化鎢、二硒化鎢、二硫化鉬等組成復合材料被廣泛研究以期解決光電晶體管這個問題。在眾多二維材料中，石墨烯無疑是引入注目的，其具有超高載流子遷移率和廣泛的吸收范圍，而且鈣鈦礦/石墨烯雜化光電晶體管性能上有較大突破，但其制備成本較高、制備方法復雜，這嚴重阻礙了其的應用，因此找到簡單低成本的方法制備高性能光電二級管是厄待解決的問題。另外氧化石墨烯和還原氧化石墨烯在光電探測領域有重要應用。

【成果簡介】

近日，來自清華大學的石高全、謝丹，國家納米科學中心丁黎明（共同通訊）等人基于氮摻雜石墨烯量子點NGQDs -摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯mrGO復合材料制備出了一種濕法加工的高性能光電晶體管，大大推動了光電晶體管的應用。

研究人員通過單層3-氨丙基三乙氧基硅烷將氧化石墨烯旋涂鍵合到重摻雜具有300nm厚氧化硅層的硅晶圓片上，所得到的氧化石墨烯有4nm厚，由氧化石墨烯片材堆疊而成。然后氧化石墨烯層在150℃熱處理30min,進行還原以增加氧化石墨烯的電導率。之后，NGQDs–CH₃NH₃PbI₃層通過兩步旋涂到mrGO層上，而且50nm厚的金電極通過熱蒸發沉積NGQDs–CH₃NH₃PbI₃層上，從而制得該種雜化結構材料。研究人員對所制備材料進行了結構、形貌、相關性能表征，由該材料制備的雜化結構晶體管具有很寬的探測范圍(365 - 940 nm)，很高的光響應度(1.92 × 104 A W^?1)，對光的開關有極高的響應速度(≈10 ms)，性能十分優異。NGQDs為鈣鈦礦材料和mrGO之間電子傳輸提供了一條快速有效的通道，這讓材料光電流和光開關性能獲得了提高。此外，被聚合物封裝的該種光電晶體管表現出極好的穩定性，在大氣環境下呆20天仍保持85%的原始性能。

該光電晶體管的濕法加工技術和其所具有的高性能大大推動了石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯雜化結構光電晶體管的應用，具有重要意義。

【圖文導讀】

圖1? 材料的結構原理圖及制備過程相關表征

（a）石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯雜化結構光電晶體管結構原理圖。

（b）Si/SiO₂襯底上mrGO/APTES薄膜的AFM圖。

（c）氧化石墨烯層的XPS圖，上圖是熱處理之前，下圖是熱處理之后。

（d）mrGO層上鈣鈦礦層的SEM俯視圖。

圖2? 各組分結構表征及光電性能測試、能帶圖

（a）由1.0 mol L^?1 PbI₂ 和40 mg mL^?1CH₃NH₃I溶液制備的CH₃NH₃PbI₃薄膜和石墨烯量子點-鈣鈦礦薄膜的XRD衍射圖譜，*代表PbI₂ 的特征衍射峰。

（b）輕還原氧化石墨烯薄膜、鈣鈦礦薄膜、石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯薄膜的紫外-可見-近紅外吸收光譜。

（c）輕還原氧化石墨烯薄膜、鈣鈦礦薄膜、石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯薄膜的光致發光光譜，激發光波長為532nm。

（d）輕還原氧化石墨烯、鈣鈦礦、石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯能帶圖。

圖3? ?石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯光電晶體管光探測性能

（a）不同光照強度條件（光波長為660nm）下材料的傳輸特性（V_DS=2V）。

（b, c）光電流、R(b)、D*(c)與光強（光波長為660nm）關系曲線，VG = 40 V, VDS = 2 V。

（d, e）不同單色光（波長不同，輻射強度相同都是150）下，晶體管傳輸特性（V_DS=2V）。

（f）VG = 40 V下光響應度和增益與照射光波長的關系曲線。

圖4? ?石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯光電晶體管光致柵壓效應原理圖、相關光電性能測試、穩定測試

（a）石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯光電晶體管中光致柵壓效應原理圖。

（b, c）交替黑暗與光照條件 (235 μW cm^?2, 660 nm) 下，光電晶體管的開關性能，門電壓和漏導電壓分別為40v和20v。 b: 鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯光電晶體管（上）和石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯光電晶體管（下）漏極電流響應與時間的關系曲線，其中時間間隔為10s。c: 時間間隔為2s的開關光照條件下，暫態光電流響應的放大圖。

（d）原始鈣鈦礦薄膜和石墨烯量子點-鈣鈦礦薄膜的時間導致的光致發光衰退及相應的擬合曲線。

（c）未封裝的光電晶體管和PMMA封裝的光電晶體管在空氣中的溫度性測試。

【小結】

研究人員通過一種簡單便宜濕法加工的方法制備出了高性能的石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯光電晶體管。該晶體管具有杰出的光響應度 (1.92 × 104 A W^?1, ?增益為1.0 × 10⁴)，對光開關有極快的響應。該光電晶體管還具有寬的光探測范圍(365 - 940 nm)，很好的光響應有關的性能。該光電晶體管之所以具有這么高的性能，鈣鈦礦層和輕還原氧化石墨烯層之間快速有效的載流子傳輸和輕還原氧化石墨烯層高的載流子遷移率都有重要貢獻。該光電晶體管的濕法加工技術和其所具有的高性能大大推動了石墨烯量子點-摻雜鈣鈦礦-輕還原氧化石墨烯雜化結構光電晶體管的應用。

文獻鏈接：A Solution-Processed High-Performance Phototransistor based on a Perovskite Composite with Chemically Modified Graphenes（Advanced? Materials,2017, Doi/10.1002/adma.201606175/full）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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