ペロブスカイト層を通過するイオンの二次元移動

2023 年 4 月 12 日

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中国科学院による

静電ドーピングは、カーボン ナノチューブ (CNT) や、グラフェンや遷移金属ジカルコゲニド (TMD) などの二次元 (2D) 材料などの低次元材料で広く使用されています。 不純物原子による従来の格子ドーピングとは異なり、物理的空間が限られているため、ナノスケール材料でドーピングを実現することは困難です。 静電ドーピングは、原子配列を乱してナノスケール材料の固有の電子特性を劣化させる可能性がある不純物原子を導入することなく、ナノスケール材料内の電荷キャリアを調整する効果的な経路を開きます。

eLight に掲載された新しい論文の中で、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の Sung-Joon Lee 教授と Hung-Chieh Cheng 教授が率いる科学者チームは、メチルアンモニウムヨウ化鉛ペロブスカイト (CH3NH3PbI3)/2DSC ヘテロ接合デバイスを開発しました。

最近、単層 2D 材料に pn 接合を作成するためのイオン固体が研究されています。 凍結した可動イオンは静電場を提供し、下にある 2D 半導体チャネルのキャリア密度を調整します。 イオン固体の明確な形状により、2D 半導体 (2DSC) 上のドーピングを局所的に制御することで、クロストークを最小限に抑えながら固体電子/光電子デバイスを統合する多様な設計が可能になります。

固体超イオンヨウ化銀 (AgI) 中の銀イオンの操作は、2DSC のキャリアの種類を調整して、可逆的にプログラム可能なトランジスタ、ダイオード、フォトダイオード、および論理ゲートを実現するために使用されました。

単層 TMD は、電気的に調整可能な発光ダイオード (LED)、ゲート制御される pn 接合ダイオード、太陽電池などの新しいオプトエレクトロニクス用途に広く採用されています。 ただし、単層 TMD には、高性能オプトエレクトロニクス用途に対していくつかの固有の制限があります。 原子的に薄い 2D 格子への不純物ドーパントの組み込みは、原子的に薄い格子内の物理的空間によって基本的に制限されてきました。

選択された格子ドーパントを使用して、単層 2DSC の電荷ドーピングの種類/密度を調整することは、永続的な課題でした。 その結果、2DSC で作られた pn フォトダイオードは、p 側または n 側のいずれかで非理想的なコンタクトに悩まされることが多く、達成可能な開回路電圧 (VOC) が制限されます。 さらに、2DSC の全光吸収と分光感度は、原子的に薄い形状によって基本的に制限されます。 これにより、光キャリア生成効率と達成可能な外部量子効率 (EQE) が損なわれます。

他のよく知られたオプトエレクトロニクス材料と異種混合することによって、このような固有の制限を克服するために多大な努力が払われてきた。 たとえば、有機色素分子とのインターフェースは、その光電特性を制御するための効果的な戦略として実証されています。 ハイブリッドハロゲン化鉛ペロブスカイト (LHP) は、その優れた光電子性能と低い製造コストにより、太陽光発電用として大きな注目を集めています。

その並外れたポテンシャルにもかかわらず、「ソフト格子」イオン LHP は通常、電圧バイアス下でのイオン移動に悩まされ、材料の安定性が低下し、電圧依存の光電流に大きなヒステリシスが生じます。 正または負に帯電したイオンの移動は、印加された電界の下でイオンの蓄積またはイオン電荷の不均衡を引き起こす可能性があります。 ここでは、LHP におけるこのようなイオン電荷の不均衡を利用して、近くの 2DSC に可逆的なドーピングを誘導し、高性能フォトダイオードを作成します。

ヨウ化メチルアンモニウム鉛 (CH3NH3PbI3 または MAPbI3) は、優れた光吸収特性と光応答特性を備えた LHP の最も顕著な例ですが、イオン運動によって深刻な問題を抱えています。 太陽電池アプリケーションの安定した動作には望ましくありませんが、MAPbI3 のバイアス誘起イオン移動によるイオン電荷の蓄積を利用して、近くの 2DSC を選択的にドーピングして、高い光電子性能を備えたペロブスカイト増感 2D フォトダイオードを作成できます。

この点において、原子的に薄い 2DSC は、イオン固体との効率的な結合に理想的に適しています。 これらは、再構成可能な p 型または n 型ドーピング効果を可逆的に誘発する非共有結合性ドーピング剤として機能します。 このような調整可能なドーピング効果により、極性を切り替え可能な新しいクラスの 2DSC ベースのフォトダイオードがさらに提供されます。 優れた光電子特性を備えたイオン固体のファンデルワールス集積により、イオンドーピング効果から形成された 2D ダイオードは、MAPbI3 で光生成キャリアを抽出する効率的な方法を提供します。

詳しくは： Sung-Joon Lee et al、超高開回路電圧を備えたハロゲン化鉛ペロブスカイト増感 WSe2 フォトダイオード、eLight (2023)。 DOI: 10.1186/s43593-023-00040-8

中国科学院提供