CN105679966A - 一种基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法，由表层向里层依次包括基底、透明导电电极、空穴传输层或电子传输层、钙钛矿半导体层、电子传输层或空穴传输层以及金属导电层，钙钛矿半导体层包括卤化铅络合物，卤化铅络合物是将无水卤化铅粉末与二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液相混合，使得PbX2粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液中，再加入氯苯溶剂搅拌混合后静置，并经过过滤后得到的析出物。本发明降低了CH3NH3PbX3-nYn晶体转化条件，减少PbX2杂质残留，提高薄膜的平整度，提高钙钛矿半导体层薄膜的光能吸收效率，提高晶体管的效率和稳定性。

Description

一种基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法
技术领域
本发明属于晶体管应用技术领域，特别涉及一种基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法。
背景技术
基于钙钛矿材料的晶体管是一种使用诸如(CH3NH3PbX3-nYn)形式的化合物作为吸光材料的晶体管，其中X、Y=Cl、Br、I等。电池的基本结构如图1所示，从下往上依次分为导电基底层、绝缘层、金属底电极层（源极和漏极）、钙钛矿半导体层、金属栅电极。其中研发重点关注的是钙钛矿半导体层。
现有的形成钙钛矿半导体层的主要方法首先将无水氯化铅粉末（PbCl2）直接溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF），加热溶液，此后将溶解好的溶液旋涂在玻璃基底表面，形成一层PbCl2薄膜，加热这层薄膜使得溶剂完全挥发；然后将载有PbCl2薄膜的玻璃基底在甲基氯化铵（MACl）的异丙醇（IPA）溶液中浸泡30秒左右之后取出、旋转甩干、再滴一定量的异丙醇，甩干；或者直接在PbCl2上面旋涂MACl溶液。此后，把薄膜连同玻璃基底转移到加热台上，70~100摄氏度加热10~120分钟。在这个过程中MACl将与PbCl2反应，转化成大小不一的(CH3NH3)PbCl3晶体。由于PbCl2厚度较厚（一般大于200纳米），不易于MACl完全反应，反应不完全，因此当形成了(CH3NH3)PbCl3晶体后，仍旧会有少量的PbCl2杂质残留在薄膜中，形成能态陷阱和缺陷，减少了材料内载流子寿命，降低了材料的载流子迁移率。此外，还影响了薄膜的平整度，造成薄膜的厚度不一，平整度差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法，公开了一种钙钛矿半导体层材料的合成技术，降低了CH3NH3PbX3-nYn晶体转化条件，减少PbX2杂质残留，降低材料内部缺陷密度，提高薄膜的平整度，从而极大地提高钙钛矿半导体层薄膜的载流子寿命和载流子迁移率。
本发明是这样实现的，提供一种基于钙钛矿材料的晶体管，由表层向里层依次包括基底、绝缘层、金属底电极层、钙钛矿半导体层、金属栅电极，钙钛矿半导体层包括卤化铅络合物，卤化铅络合物的化学通式为：PbX2(U)，其中，X为Cl、I以及Br三种元素中的任意一种，U为二甲基亚矾（简称DMSO）、N,N-二甲基甲酰胺（简称DMF）以及甲胺的四氢呋喃（简称MA）三种化合物中的任意一种；
卤化铅络合物是将无水卤化铅粉末（化学通式PbX2，X是Cl、I、Br三种元素中的任意一种）与二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液相混合，使得PbX2粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液中，再加入氯苯溶剂搅拌混合后静置，并经过过滤后得到的析出物。
进一步地，基底材料的选择包括但不限于高浓度掺杂的p型晶硅。
进一步地，绝缘层生长在基底上，绝缘层的材料包括但不限于二氧化硅。
进一步地，绝缘层沉积在基底上，金属底电极层沉积在绝缘层上，并呈两条带状排布在绝缘层的两侧边缘，一侧为源极，另一侧为漏极，在源极和漏极之间留有空隙，所述金属底电极层的材料包括但不限于金和银中至少一种，金属底电极层3沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法中的至少一种。
进一步地，钙钛矿半导体层沉积在金属底电极层上以及金属底电极层的源极和漏极两条金属底电极之间的空隙内，形成半导体层。
进一步地，金属栅电极沉积在钙钛矿半导体层上，金属栅电极的材料包括但不限于金和银中至少一种，金属栅电极的沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法或磁控溅射法中的至少一种。
本发明还公开了一种制备上述基于钙钛矿材料的晶体管的方法，包括在金属底电极层上沉积钙钛矿半导体层的方法，整个沉积过程在纯氮气环境中进行，环境气压为1~2大气压，环境温度为20~30摄氏度，所述沉积方法包括以下步骤：
第一步，溶解、合成络合物，
在20~25摄氏度室温和标准大气压的条件下，将无水卤化铅粉末与二甲基亚矾溶剂或N,N-二甲基甲酰胺溶剂按照配比为1~8mg对应10~20mL的比例混合，搅拌5~10分钟，使得无水卤化铅粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂或N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，得到溶液A；
或者，在20~25摄氏度室温和标准大气压的条件下，将无水卤化铅粉末与甲胺的四氢呋喃溶液按照配比为1~3mg对应10~20mL的比例混合，搅拌5~10分钟，使得无水卤化铅粉末完全溶解于甲胺的四氢呋喃溶液中，得到溶液A；
其中，所述无水卤化铅粉末、化学通式为PbX2中的X是Cl、I、Br三种元素中的任意一种；
第二步，将所述卤化铅络合物溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂，搅拌5~10分钟，得到溶液B，溶液B的浓度为0.5~1.5摩尔/升；
第三步，将甲基氯化铵按照30~60mg/mL的质量/体积比例溶解于异丙醇溶剂中（简称IPA）形成溶液C；
第四步，将溶液B加热到60~80摄氏度并保持不断搅拌；
第五步，取适量加热到60~80摄氏度的溶液B，迅速均匀涂抹在已经沉积了金属底电极层的导电基底表面，涂抹的方式包括但不限于旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夹缝式挤压型涂布、喷涂、喷墨印刷中的至少一种；
第六步，在涂抹溶液B形成的薄膜上再涂抹溶液C；
第七步，然后，将涂抹了溶液B和C的薄膜在70~100摄氏度下加热10~120分钟，形成钙钛矿半导体层，即半导体吸光层。
进一步地，卤化铅络合物为氯化铅络合物。
进一步地，在第四步骤中，溶液B中的溶剂挥发后形成的薄膜厚度为300~1000纳米，在已经沉积了金属底电极层的导电基底表面涂抹溶液B后的静置条件：室温~100摄氏度，30~90秒，溶液B内的溶剂基本挥发；在第五步骤中，涂抹溶液C后的静置条件：放置20~60秒，溶液C内的溶剂基本挥发。
与现有技术相比，本发明的基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法，具有以下特点：
1、在钙钛矿半导体层，由卤化铅络合物形成的薄膜可以直接与MACl反应，不需要进行加热处理，常温下就可以生成钙钛矿薄膜，节能、简化流程；
2、卤化铅完全转化成卤化铅络合物，节约原材料；
3、形成的卤化铅络合物薄膜更为平整，提升卤化铅络合物薄膜的品质，薄膜的内部缺陷更少，薄膜内载流子寿命提高10倍，满足制作薄膜晶体管（TFT）的需求；
4、向CH3NH3PbX3-nYn化合物转化的窗口条件（包括退火温度，退火时间以及MACl浓度等）更宽，可以在40~100摄氏度，10分钟~20个小时，MACl浓度40~50mgmL-1的窗口范围内选择，性能波动小，且均能保持高效率；相比背景技术里薄膜处理的条件苛刻、窗口小的问题，适应性更强；
5、利用卤化铅络合物制成的晶体管效率更高，稳定性更好。
附图说明
图1为现有技术中基于钙钛矿材料的晶体管的内部结构示意图；
图2为经本发明的卤化铅络合物（即PbCl2(DMSO)或PbCl2(DMF)）转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜和经传统的PbCl2单体转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜，再经历五种不同的退伙条件后最终得到的薄膜进行XRD测试的结果比较示意图；
图3为经本发明的卤化铅络合物（即PbCl2(DMSO)或PbCl2(DMF)）转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜和经传统的PbCl2单体转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜进行瞬时光致发光测量得到的光致发光响应曲线示意图；
图4为图2的薄膜进行稳态光致发光测量得到的薄膜发光强度曲线示意图；
图5为经本发明的卤化铅络合物（即PbCl2(DMSO)或PbCl2(DMF)）转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜和经传统的PbCl2单体转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜的表面SEM图像之间的比较。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的一种基于钙钛矿材料的晶体管，由表层向里层依次包括基底1、绝缘层2、金属底电极层3、钙钛矿半导体层4、金属栅电极5。
钙钛矿半导体层4包括卤化铅络合物。卤化铅络合物是将无水卤化铅粉末（化学通式PbX2，X是Cl、I、Br三种元素中的任意一种）与二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液相混合，使得PbX2粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液中，再加入氯苯溶剂搅拌混合后静置，并经过过滤后得到的析出物。
基底1的材料包括但不限于高浓度掺杂的p型晶硅等。绝缘层2生长在基底1上，绝缘层2的材料包括但不限于二氧化硅等。
绝缘层2沉积在基底1上。金属底电极层3沉积在绝缘层2上，并呈两条带状排布在绝缘层的两侧边缘，一侧为源极，另一侧为漏极，两极性质完全一致，仅名称不同。在源极和漏极之间留有空隙。金属底电极层3的材料包括但不限于金和银中至少一种高功率的金属。金属底电极层3沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法中的至少一种。
钙钛矿半导体层4沉积在金属底电极层3上以及金属底电极层3的源极和漏极两条金属底电极之间的空隙内，形成半导体层。金属栅电极5沉积在钙钛矿半导体层4上。金属栅电极5的材料包括但不限于金和银中至少一种高功率的金属。金属栅电极5沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法中的至少一种。
下面具体说明本发明的一种制备基于钙钛矿材料的晶体管的方法，包括以下主要步骤：
第一步：溶解、合成络合物，
在25摄氏度室温和标准大气压的条件下，在空气环境中，将无水氯化铅粉末（化学式PbCl2）与N,N-二甲基甲酰胺溶剂(简称DMF)按照配比为5mgPbCl2对应15mLDMF的比例混合，搅拌5~10分钟，使得PbCl2粉末完全溶解于DMF溶剂，得到溶液A。
第二步：得到新型卤化铅络合物固体，
在25摄氏度室温和标准大气压的条件下，在空气环境中，将氯苯溶剂（简称CB）与在第一步得到的溶液A按照体积比CB:A=2:1混合，搅拌1~2分钟，静置5~10分钟，产生析出络合物固体P，经过滤纸过滤，得到析出络合物固体P；析出络合物固体P即为PbCl2与DMF的卤化铅络合物，析出络合物固体P又记作PbCl2(DMF)。
第三步：制作以析出络合物固体P为钙钛矿半导体层的晶体管，
1）选择预先镀好金属底电极层的二氧化硅作为基底；
2）在镀有金属底电极层的二氧化硅基底上沉积络合物固体P；整个过程在纯氮气环境中进行，环境气压为一个大气压，环境温度为25摄氏度室温，其详细过程为：
①将络合物固体P溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂(简称DMF)，搅拌5分钟，得到溶液B，溶液B的浓度为1摩尔/升；
②将甲基氯化铵(MACl)按照60mg/mL的质量/体积比例溶解于异丙醇溶剂中（简称IPA）形成溶液C；
③将溶液B加热到70摄氏度并保持不断搅拌；
④取适量加热到70摄氏度的溶液B，迅速均匀旋涂在步骤2已经形成的PEDOT:PSS层的表面，旋涂转速3000转/分钟，持续30秒，涂抹的量由具体样品的大小决定，形成厚度500纳米的完整的薄膜；
⑤在涂抹溶液B形成的薄膜上再以3000转/分的转速旋涂溶液C，使得30秒之内溶液C内的溶剂基本挥发，溶质保留；然后，将涂抹了溶液B和C的薄膜在90摄氏度下加热20分钟，形成半导体层；
第四步：在半导体层上沉积金属栅电极，选用金作为材料。将前述样品转移进热蒸镀仪中，并利用温度控制台调节透明衬底在热蒸镀时需要的温度；开启真空泵，开启卷筒伺服机构，待真空度高于1×10-5Pa后，用热蒸镀法蒸镀100纳米的金。
上述制备方法的特点是：
1、PbCl2(DMF)薄膜可以直接与MACl反应，不需要进行加热处理，常温下就可以生成钙钛矿薄膜，节能、简化流程。
2、PbCl2(U)可以完全转化成CH3NH3PbCl3，提高了转化得到的CH3NH3PbCl3的品质，同时还可以节约原材料。请参照图2所示，图2中的(a)、(b)、(c)分别是由PbCl2、PbCl2(DMSO)和PbCl2(DMF)转化并经过一定的退火处理（室温、70°C、80°C、90°C或100°C）后最终得到的CH3NH3PbCl3薄膜的XRD测试结果。在(a)的所有退火条件下得到的XRD信号中，在主峰左侧，即2θ=12.5度，都可以明显地看到一个峰信号，这个位置的峰对应的是PbCl2晶体，说明CH3NH3PbCl3薄膜中有PbCl2残留。在(b)和(c)的任意XRD曲线中则没有上述信号。这说明PbCl2(U)可以完全转化成CH3NH3PbCl3，没有PbCl2残留在CH3NH3PbCl3薄膜中，提高了转化得到的CH3NH3PbCl3的品质，同时还可以减少PbCl2的用量。
3、CH3NH3PbCl3薄膜品质提升，薄膜内部的缺陷更少，薄膜内载流子寿命提高10倍，可以满足制作薄膜晶体管（TFT）的需求。数据上的支持请参照图3所示，图3是对PbCl2、PbCl2(DMSO)和PbCl2(DMF)转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜进行瞬时光致发光测量得到的光致发光相应，分别对应了不同的载流子寿命。载流子寿命越长，说明薄膜内缺陷密度越小，薄膜质量越高。从图3的三条曲线可以看出，由PbCl2(DMSO)转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜内部缺陷最少，经过模型拟合计算，由PbCl2(DMSO)转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜内载流子寿命是由PbCl2单体转化得到的CH3NH3PbCl3的10倍，因此其电荷迁移率也更高，适合作为制作晶体管的备选材料。
表1为PbCl2、PbCl2(DMSO)和PbCl2(DMF)转化得到的CH3NH3PbCl3相应薄膜的载流子迁移率数据。
前驱体 PbCl2 PbCl2(DMF) PbCl2(DMSO)
电子迁移率（单位：cm2V-1s-1） 2.1±0.2 3.1±0.1 4.6±0.2
空穴迁移率（单位：cm2V-1s-1） 0.8±0.1 1.5±0.3 1.7±0.1
从表1可以看出：相较于由传统方法的PbCl2单体转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜，利用本发明中络合物PbCl2(DMF)或PbCl2(DMSO)作为前驱体转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜，其电子迁移率和空穴迁移率都得到了提高，其中以PbCl2(DMSO)为最佳。薄膜的电子和空穴迁移率越高，尤其制备的晶体管的电学性能更佳，因此利用本发明制备的晶体管提高了原有基于CH3NH3PbCl3材料的晶体管的性能。
4、形成的CH3NH3PbCl3薄膜更为平整。请参照图5所示，(a)、(b)、(c)是半导体吸光层PbCl2、PbCl2(DMSO)和PbCl2(DMF)转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜表面俯视图，(d)、(e)、(f)是剖视图；其中图(a)和图(d)是利用传统方法制备得到的薄膜，可以明显看到表面有突起状结构。图(b)和图(e)是利用PbCl2(DMF)得到的薄膜，表面都很均一、平整。图(c)和图(f)是利用PbCl2(DMSO)得到的薄膜，表面都很均一、平整。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于钙钛矿材料的晶体管，由表层向里层依次包括基底、绝缘层、金属底电极层、钙钛矿半导体层、金属栅电极，其特征在于，所述钙钛矿半导体层包括卤化铅络合物，所述卤化铅络合物的化学通式为：PbX2(U)，其中，X为Cl、I以及Br三种元素中的任意一种，U为二甲基亚矾、N,N-二甲基甲酰胺以及甲胺的四氢呋喃三种化合物中的任意一种；
所述卤化铅络合物是将无水卤化铅粉末与二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液相混合，使得PbX2粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液中，再加入氯苯溶剂搅拌混合后静置，并经过过滤后得到的析出物。
2.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述基底的材料包括但不限于p型掺杂的晶硅。
3.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述绝缘层材料包括但不限于二氧化硅。
4.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述绝缘层沉积在基底上，所述金属底电极层沉积在绝缘层上，并呈两条带状排布在绝缘层的两侧边缘，一侧为源极，另一侧为漏极，在源极和漏极之间留有空隙，所述金属底电极层的材料包括但不限于金和银中至少一种，金属底电极层沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法中的至少一种。
5.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述钙钛矿半导体层沉积在金属底电极层上以及金属底电极层的源极和漏极两条金属底电极之间的空隙内，形成半导体层。
6.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述金属栅电极沉积在钙钛矿半导体层上，所述金属栅电极的材料包括但不限于金和银中至少一种，所述金属栅电极的沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法或磁控溅射法中的至少一种。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的基于钙钛矿材料的晶体管的制备方法，其特征在于，包括在所述金属底电极上沉积钙钛矿半导体层的方法，整个沉积过程在纯氮气环境中进行，环境气压为1~2大气压，环境温度为20~30摄氏度，所述沉积方法主要包括以下步骤：
第一步，溶解、合成络合物，
在20~25摄氏度室温和标准大气压的条件下，在空气环境中，将无水卤化铅粉末与二甲基亚矾溶剂或N,N-二甲基甲酰胺溶剂按照配比为1~8mg对应10~20mL的比例混合，搅拌5~10分钟，使得无水卤化铅粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂或N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，得到溶液A；
或者，在20~25摄氏度室温和标准大气压的条件下，将无水卤化铅粉末与甲胺的四氢呋喃溶液按照配比为1~5mg对应10~20mL的比例混合，搅拌5~10分钟，使得无水卤化铅粉末完全溶解于甲胺的四氢呋喃溶液中，得到溶液A；
其中，所述无水卤化铅粉末、化学通式为PbX2中的X是Cl、I、Br三种元素中的任意一种；
第二步，将所述卤化铅络合物溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂，搅拌5~10分钟，得到溶液B，溶液B的浓度为0.5~1.5摩尔/升；
第三步，将甲基氯化铵按照30~60mg/mL的质量/体积比例溶解于异丙醇溶剂中形成溶液C；
第四步，将溶液B加热到60~80摄氏度并保持不断搅拌；
第五步，取适量加热到60~80摄氏度的溶液B，迅速均匀涂抹在已经沉积了金属底电极层的导电基底表面，涂抹的方式包括但不限于旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夹缝式挤压型涂布、喷涂、喷墨印刷中的至少一种；
第六步，在涂抹溶液B形成的薄膜上再涂抹溶液C；
第七步，然后，将涂抹了溶液B和C的薄膜在70~100摄氏度下加热10~120分钟，形成钙钛矿半导体层，即半导体吸光层。
8.如权利要求7所述的基于钙钛矿材料的晶体管的制备方法，其特征在于，所述卤化铅络合物为氯化铅络合物。
9.如权利要求7所述的基于钙钛矿材料的晶体管的制备方法，其特征在于，在第四步骤中，溶液B中的溶剂挥发后形成的薄膜厚度为100~300纳米，在已经沉积了金属底电极层的导电基底表面涂抹溶液B后的静置条件：室温~100摄氏度，30~90秒，溶液B内的溶剂基本挥发；在第五步骤中，涂抹溶液C后的静置条件：放置20~60秒，溶液C内的溶剂基本挥发。
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