本文由論文作者團隊（課題組）投稿

半導(dǎo)體是一種電導(dǎo)值可以在導(dǎo)體和絕緣體之間調(diào)整的材料，但在常規(guī)條件下表現(xiàn)為絕緣體，因此需要進行摻雜以調(diào)控其載流子濃度。引入雜質(zhì)元素能夠在傳統(tǒng)的三維半導(dǎo)體（如硅）中實現(xiàn)有效的電荷摻雜，但并不適用于原子級厚度的二維半導(dǎo)體（2DSC）材料。這主要是因為二維材料難以在不損傷半導(dǎo)體性能的前提下在其有限的晶格空間容納大量的雜質(zhì)元素。

不同于雜質(zhì)摻雜調(diào)控載流子濃度，靜電摻雜可以在不改變半導(dǎo)體化學(xué)組分的情況下實現(xiàn)高電子或空穴密度。其中，基于離子固體的靜電摻雜能在單層二維材料中創(chuàng)建p-n結(jié)，這主要是通過離子移動實現(xiàn)局域化的靜電場，以調(diào)節(jié)底層2DSC通道的載流子密度，并將固態(tài)電子和光電子器件集成在一起。

單層過渡金屬二硫化物（TMD）在光電器件中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，包括發(fā)光二極管（LED），門控p-n二極管和太陽能電池。然而，二維半導(dǎo)體原子層厚度的幾何結(jié)構(gòu)極大的限制了其光吸收的性能，這不利于光生載流子的產(chǎn)生，因此降低了光電器件的外量子效率（EQE）。

近日，來自加州大學(xué)洛杉磯分校的段鑲鋒教授課題組研究表明雜化鉛鹵鈣鈦礦能通過離子遷移在TMD中實現(xiàn)可逆的靜電摻雜，并構(gòu)建了基于鈣鈦礦/WSe?異質(zhì)結(jié)的高性能的可編程光電二極管。

該研究成果以“Lead halide perovskite sensitized WSe? photodiodes with ultrahigh open circuit voltages”為題發(fā)表于卓越計劃高起點新刊eLight。

雜化鉛鹵鈣鈦礦（LHP）由于其出色的光電性能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光伏器件。其中甲基銨鉛碘（MAPbI?）是一種著名的有機-無機雜化鈣鈦礦材料，具有出色的光吸收和光電響應(yīng)特性。但是其“軟晶格”的離子晶體特點導(dǎo)致其離子在電場下發(fā)生遷移，這帶來了材料的不穩(wěn)定性以及其伏安曲線的較大回滯。雖然在MAPbI?中由偏壓誘導(dǎo)的離子遷移通常會對太陽能電池的性能產(chǎn)生不利影響，但本工作發(fā)現(xiàn)可以利用這種現(xiàn)象來構(gòu)建高性能鈣鈦礦敏化的二維材料光電二極管。

來自加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者們構(gòu)筑了二硒化鎢（WSe?）/MAPbI?鈣鈦礦范德華異質(zhì)結(jié)，通過施加外部電壓來推動離子運動。在外加極化電場的作用下， 鈣鈦礦層會形成極化的離子分布，在所需位置（MAPbI?鈣鈦礦和WSe?）之間產(chǎn)生正或負離子的凈電荷（圖1），并對底層的WSe?產(chǎn)生靜電摻雜效應(yīng)。例如，垂直電場可以調(diào)節(jié)MAPbI?/WSe?異質(zhì)結(jié)器件中的主要載流子類型。此外，通過使用橫向電場，可以實現(xiàn)具有可切換極性的二極管（圖1）。這種可編程的二極管同時具備優(yōu)異的光電性能，其中MAPbI?敏化的WSe?二極管在零偏置電壓（VDS = 0 V）時實現(xiàn)了高達84.3％的EQE（外量子效率）。進一步的研究表明器件的整流行為和輸出電流主要來自于WSe?而不是MAPbI?，而MAPbI?在該器件中主要是作為摻雜劑和感光劑而顯著增強光子吸收以及光生載流子的產(chǎn)生。

圖1：集成雜化鉛鹵鈣鈦礦的WSe?可編程光電二極管。器件示意圖（左圖）；鈣鈦礦離子遷移實現(xiàn)WSe?層的靜電摻雜和高性能光電二極管（右圖）。

本文研究者還提出用石墨烯作為可重構(gòu)光電二極管的理想電極接觸材料。基于石墨烯接觸的MAPbI?/WSe? FET表現(xiàn)出比金接觸器件更大的性能可調(diào)性。在使用石墨烯接觸的器件中，正向的鈣鈦礦極化能將開路電壓由0 V調(diào)控到+1.08 V，而負向極化則能將開路電壓由0V調(diào)控到-0.96V。在柵極的調(diào)控下，EQE能進一步升至91.3％。其1.08 V的開路電壓和91.3%的EQE大大超過了之前在2DSC橫向二極管中所報道的性能。

本研究提出的方法能有效而無損的調(diào)節(jié)二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)并實現(xiàn)極性重復(fù)可調(diào)的光電二極管。通過將原子級薄的二維材料和鈣鈦礦離子固體結(jié)合，可以實現(xiàn)電子和離子輸運之間的高效耦合，推動非傳統(tǒng)計算、信息存儲和可編程光電器件的發(fā)展。

| 論文信息 |

Lee, SJ., Cheng, HC., Wang, Y. et al. Lead halide perovskite sensitized WSe2 photodiodes with ultrahigh open circuit voltages. eLight 3, 8 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00040-8

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