Migrerende ionen door de perovskietlaag in twee dimensies

Elektrostatische doping wordt veel gebruikt in laagdimensionale materialen, waaronder koolstofnanobuizen (CNT) en tweedimensionale (2D) materialen zoals grafeen en overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s). In tegenstelling tot conventionele roosterdoping met onzuiverheidsatomen, is het een uitdaging om doping te bereiken in materialen op nanoschaal vanwege de beperkte fysieke ruimte. De elektrostatische dotering opent een effectief pad om de ladingsdragers in materialen op nanoschaal af te stemmen zonder onzuiverheidsatomen te introduceren, die de atomaire rangschikking kunnen verstoren en de intrinsieke elektronische eigenschappen van de materialen op nanoschaal kunnen aantasten.

In een nieuw artikel gepubliceerd in eLichtheeft een team van wetenschappers onder leiding van de professoren Sung-Joon Lee en Hung-Chieh Cheng van de Universiteit van Californië in Los Angeles een methylammoniumloodjodideperovskiet (CH₃NH₃PbI₃)/2DSC heterojunctie-apparaat.

Onlangs zijn ionische vaste stoffen onderzocht voor het creëren van een pn-overgang in monolaag 2D-materialen. De bevroren mobiele ionen zorgen voor elektrostatische velden om de draaggolfdichtheid van het onderliggende 2D-halfgeleiderkanaal te moduleren. Vanwege de goed gedefinieerde vorm van ionische vaste stoffen, maakt lokale controle van de dotering op 2D-halfgeleiders (2DSC’s) diverse ontwerpen mogelijk om solid-state elektronische / opto-elektronische apparaten te integreren met minimale overspraak.

De manipulatie van zilverionen in superionisch zilverjodide (AgI) in vaste toestand werd gebruikt om het draaggolftype van 2DSC’s aan te passen om omkeerbaar programmeerbare transistors, diodes, fotodiodes en logische poorten te verkrijgen.

De monolaag TMD’s zijn op grote schaal toegepast in nieuwe opto-elektronische toepassingen zoals elektrisch afstembare lichtemitterende diodes (LED’s), poortgestuurde pn-junctiediodes en zonnecellen. De monolaag TMD’s vertonen echter enkele intrinsieke limieten voor hoogwaardige opto-elektronische toepassingen. De opname van doteerstoffen voor onzuiverheden in de atomair dunne 2D-roosters is fundamenteel beperkt door de fysieke ruimte in de atomair dunne roosters.

Het is een aanhoudende uitdaging geweest om het ladingsdopingtype / -dichtheid in monolaag 2DSC’s aan te passen met behulp van geselecteerde roosterdoteermiddelen. Bijgevolg worden de pn-fotodiodes gemaakt van 2DSC’s vaak geplaagd door niet-ideale contacten aan de p- of n-zijde, waardoor de haalbare nullastspanning wordt beperkt (V_OC). Bovendien worden de totale lichtabsorptie en spectrale gevoeligheid van 2DSC’s fundamenteel beperkt door hun atomair dunne geometrie. Het compromitteert de efficiëntie van het genereren van fotodragers en de haalbare externe kwantumefficiëntie (EQE).

Er zijn aanzienlijke inspanningen geleverd om dergelijke intrinsieke beperkingen te overwinnen door heterogene integratie met andere bekende opto-elektronische materialen. Interfacing met organische kleurstofmoleculen is bijvoorbeeld aangetoond als een effectieve strategie om de opto-elektrische eigenschappen ervan te beheersen. Hybride loodhalogenide perovskieten (LHP’s) hebben veel aandacht gekregen voor fotovoltaïsche cellen vanwege hun uitstekende opto-elektronische prestaties en lage fabricagekosten.

Ondanks zijn buitengewone potentieel, worden de “zachte rooster” ionische LHP’s typisch geplaagd door ionenmigraties onder spanningsbias, wat leidt tot slechte materiaalstabiliteit en grote hysteresis in de spanningsafhankelijke fotostromen. De migratie van positief of negatief geladen ionen kan leiden tot accumulatie van ionen of onbalans van ionische lading onder toegepaste elektrische velden. Hier maken we gebruik van een dergelijke ionische ladingsonbalans in LHP’s om omkeerbare doping in nabijgelegen 2DSC’s te induceren om hoogwaardige fotodiodes te creëren.

Methylammoniumloodjodide (CH₃NH₃PbI₃ of MAPbI₃) vertegenwoordigt het meest prominente voorbeeld van LHP’s met uitstekende optische absorptie en fotoresponsieve eigenschappen, maar wordt ernstig geplaagd door ionische beweging. Hoewel onwenselijk voor een stabiele werking van zonneceltoepassingen, is de accumulatie van ionische lading door de bias-geïnduceerde ionenmigratie in MAPbI₃ kan worden benut voor het selectief doteren van nabijgelegen 2DSC’s om perovskiet-gesensibiliseerde 2D-fotodiodes met hoge opto-elektronische prestaties te creëren.

In dit opzicht zijn de atomair dunne 2DSC’s bij uitstek geschikt voor een efficiënte koppeling met de ionische vaste stoffen. Ze dienen als een niet-covalent dopingmiddel om reversibel het herconfigureerbare p-type of n-type dopingeffect te induceren. Een dergelijk afstembaar dopingeffect biedt verder een nieuwe klasse van op 2DSC gebaseerde fotodiodes met schakelbare polariteiten. Met van der Waals integratie van ionische vaste stoffen met uitstekende opto-elektronische eigenschappen, bieden de 2D-diodes gevormd door het ionische doping-effect een efficiënte manier om foto-gegenereerde dragers in MAPbI te extraheren₃.