物理学家已经找到了一种方法，可以使用在下一代太阳能电池和发光二极管 (LED) 中的性能得到高度评价的材料制造晶体管。研究人员已经克服了材料的离子含量干扰电子电流通过晶体管的问题。这一突破可能为研究用于低成本电子设备的绿色电子元件铺平道路。
在过去十年中，溶液处理的金属卤化物钙钛矿(一种混合金属有机材料)一直是低成本、高效率太阳能电池和 LED 研究的主要焦点。由于它们能够在相对较低的温度下加工，钙钛矿被认为是硅的更环保的替代品，不仅用于制造太阳能电池，还用于晶体管。晶体管是集成电路的组成部分，也是许多电子设备中的关键部件。
晶体管通过栅极系统工作：电子在“源极”和“漏极”之间流动，它们的流动由施加到“栅极”的电场控制。在晶体管中，离子的存在会干扰电流的流动，使晶体管无法工作。金属卤化物钙钛矿富含离子。当对钙钛矿施加电场时，这些离子通过冲向栅极并在那里积聚来响应电场，从而有效地阻止了源极和漏极之间的电子流动。
为了对抗这种干扰，科学家们在过去十年中一直在寻找阻止离子的方法，操纵它们以尽量减少它们对钙钛矿晶体管的不利影响。
巴斯大学和德国马克斯普朗克聚合物研究所 (MPIP) 的科学家们找到了解决钙钛矿问题的方法，使材料能够在室温下作为晶体管工作。通过将这些带电物质从栅极分流到晶体管的不同部分，该设备已被“欺骗”而忽略了材料的离子含量，在那里它们不会干扰电流的流动。
“直到现在，钙钛矿中离子的存在使得钙钛矿在晶体管中的使用具有挑战性。我们认为这是一种耻辱，因为钙钛矿是非常有前途的半导体材料，”首席研究员 Kamal Asadi 教授说。巴斯。
他补充说：“在室温下，钙钛矿的离子具有很强的移动性。人们已经采取降低温度来使钙钛矿晶体管工作，因为在低温下，离子的移动性较差。但在实际应用中，这意味着我们的基于钙钛矿的小工具只能在冰箱或南极洲可靠地运行。”
“我们从不同的角度看待这个问题。我们修改了晶体管的结构而不是修改材料，从而产生了一个带有额外辅助栅极的晶体管。然后将离子推到辅助栅极并固定到位。然后，当您施加栅极电场时，电子现在会看到栅极电场，并对其做出反应，并在源极和漏极之间建立电子流。”
通过在晶体管上沉积铁电层来创建辅助栅极。铁电体(当外部电场关闭时表现出稳定极化的介电材料)可以产生大量的表面电荷，吸引离子并将它们固定在适当的位置，从而释放电子流的门。Bath 团队是第一个使用铁电概念来减轻离子传输的团队。
该论文的第一作者、马克斯普朗克研究所的 Beomjin Jeong 博士解释说：“只有使用能够产生大表面电荷的辅助栅极材料(例如铁电体或电解质)才能将离子推离传输通道。聚合物研究。“我们选择铁电聚合物是因为它们的兼容性和易于在钙钛矿层上加工。”
参与该项目的科学家们预计他们开发的平台会受到广泛关注，其他研究人员将扩大对可与钙钛矿配对的具有高表面电荷密度的材料的寻找。对由铁电层获得的晶体管通道中离子数量的良好控制可能有利于需要同时控制离子和电子的其他应用。
“通过离子传输缓解的室温卤化物钙钛矿场效应晶体管”发表在Advanced Materials 上。
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