Migrazione degli ioni attraverso lo strato di perovskite in due dimensioni

12 aprile 2023

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dall'Accademia Cinese delle Scienze

Il drogaggio elettrostatico è stato ampiamente utilizzato in materiali a bassa dimensionalità, inclusi nanotubi di carbonio (CNT) e materiali bidimensionali (2D) come grafene e dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD). A differenza del drogaggio reticolare convenzionale con atomi di impurità, è difficile ottenere il drogaggio in materiali su scala nanometrica a causa dello spazio fisico limitato. Il drogaggio elettrostatico apre un percorso efficace per ottimizzare i portatori di carica nei materiali su scala nanometrica senza introdurre atomi di impurità, che possono perturbare la disposizione atomica e degradare le proprietà elettroniche intrinseche dei materiali su scala nanometrica.

In un nuovo articolo pubblicato su eLight, un team di scienziati guidato dai professori Sung-Joon Lee e Hung-Chieh Cheng dell'Università della California a Los Angeles ha sviluppato un dispositivo di eterogiunzione perovskite con ioduro di piombo e metilammonio (CH3NH3PbI3)/2DSC.

Recentemente, i solidi ionici sono stati esplorati per creare una giunzione pn in materiali 2D monostrato. Gli ioni mobili congelati forniscono campi elettrostatici per modulare la densità del portatore del canale semiconduttore 2D sottostante. Grazie alla forma ben definita dei solidi ionici, il controllo locale del drogaggio sui semiconduttori 2D (2DSC) consente a diversi progetti di integrare dispositivi elettronici/optoelettronici a stato solido con diafonia minima.

La manipolazione degli ioni d'argento nello ioduro d'argento superionico (AgI) allo stato solido è stata impiegata per personalizzare il tipo di portante dei 2DSC per ottenere transistor, diodi, fotodiodi e porte logiche programmabili in modo reversibile.

I TMD monostrato sono stati ampiamente adottati in nuove applicazioni optoelettroniche come diodi emettitori di luce (LED) sintonizzabili elettricamente, diodi a giunzione pn controllati da gate e celle solari. Tuttavia, i TMD monostrato presentano alcuni limiti intrinseci per le applicazioni optoelettroniche ad alte prestazioni. L'incorporazione di impurità droganti nei reticoli 2D atomicamente sottili è stata fondamentalmente limitata dallo spazio fisico nei reticoli atomicamente sottili.

È stata una sfida persistente adattare il tipo/densità di drogaggio di carica nei 2DSC monostrato utilizzando droganti reticolari selezionati. Di conseguenza, i fotodiodi pn realizzati con 2DSC sono spesso afflitti da contatti non ideali sul lato p o sul lato n, limitando la tensione a circuito aperto (VOC) ottenibile. Inoltre, l’assorbimento totale della luce e la sensibilità spettrale delle 2DSC sono fondamentalmente limitati dalla loro geometria atomicamente sottile. Compromette l'efficienza della generazione del fotoportante e l'efficienza quantica esterna ottenibile (EQE).

Sono stati compiuti sforzi considerevoli per superare tali limiti intrinseci mediante l'integrazione eterogenea con altri materiali optoelettronici ben noti. Ad esempio, l'interfacciamento con molecole di colorante organico si è dimostrato una strategia efficace per controllarne le proprietà optoelettriche. Le perovskiti ibride agli alogenuri di piombo (LHP) hanno ricevuto notevole attenzione per il fotovoltaico grazie alle loro eccellenti prestazioni optoelettroniche e ai bassi costi di fabbricazione.

Nonostante il suo straordinario potenziale, gli LHP ionici a "reticolo morbido" sono generalmente afflitti da migrazioni di ioni sotto polarizzazione di tensione, che portano a una scarsa stabilità del materiale e a un'ampia isteresi nelle fotocorrenti dipendenti dalla tensione. La migrazione di ioni caricati positivamente o negativamente potrebbe indurre accumulo di ioni o squilibrio di carica ionica in presenza di campi elettrici applicati. Qui, sfruttiamo tale squilibrio di carica ionica negli LHP per indurre un drogaggio reversibile nei 2DSC vicini per creare fotodiodi ad alte prestazioni.