钙钛矿场效应晶体管中的离子减轻。A)具有底栅底接触结构的传统钙钛矿场效应晶体管。S和D分别表示源极和漏极。移动阳离子用红色圆圈中的“+”号表示，而钙钛矿层中的“-”号表示反阴离子。b)钙钛矿场效应晶体管在负栅极电压和负漏极电压(源极接地)下的器件操作。c)钙钛矿场效应晶体管在比栅极电介质的击穿电压大得多的高负栅极电压下工作。“+”符号表示较少的电荷载流子。注意，阳离子和空穴都聚集在绝缘体上。d)在钙钛矿层顶部具有辅助铁电栅极的钙钛矿场效应晶体管，以及e)具有负铁电极化(向上方向)。f)在低栅极电压下辅助铁电栅极负极化的器件操作。移动的阳离子聚集在铁电体的界面上，空穴聚集在绝缘体的界面上，形成电荷传输通道。credit:DOI:10.1002/adma . 202100486物理学家已经找到了一种方法，利用在新一代太阳能电池和发光二极管(LEDs)中表现优异的材料制造晶体管。研究人员已经克服了这种材料的离子含量干扰通过晶体管的电流的问题。这一突破可能为低成本电子设备的绿色电子元件的研究铺平道路。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发光二极管研究的主要焦点。由于钙钛矿能够在相对较低的温度下加工，因此被认为是硅的更绿色替代品，不仅用于制造太阳能电池，还用于制造晶体管。晶体管是集成电路的组成部分，也是许多电子设备的关键部件。
晶体管通过栅极系统工作:电子在“源极”和“漏极”之间流动，它们的流动由施加在“栅极”上的电场控制。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。当电场施加到钙钛矿上时，这些离子通过冲向栅极并在那里聚集来响应电场，从而有效地阻挡了源极和漏极之间的电子流。
为了对抗这种干扰，科学家们在过去的十年里一直在寻找阻止离子的方法，操纵它们以最小化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)的科学家找到了钙钛矿问题的解决方案，使这种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，该器件被“欺骗”忽略了材料的离子含量，在那里它们不能干扰电流。
“直到现在，钙钛矿中离子的存在使得钙钛矿在晶体管中的应用具有挑战性。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、巴斯大学物理系的卡迈勒·阿萨迪教授说。
他补充道:“在室温下，钙钛矿的离子是非常易移动的。人们求助于降低温度来使钙钛矿晶体管工作，因为在低温下，离子的流动性较低。但在现实应用中，这将意味着我们的钙钛矿型小装置只能在冰箱或南极洲可靠运行。”
“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。然后离子被推到辅助门并固定在适当的位置。然后，当你施加一个栅极电场时，电子现在看到栅极电场，并对其做出反应，源极和漏极之间的电子流就建立起来了。”
辅助栅极是通过在晶体管上沉积铁电层而形成的。铁电体(当外部电场关闭时显示稳定极化离子的电介质材料)可以感应出大的表面电荷，吸引离子并将它们保持在适当的位置，从而为电子流释放栅极。巴斯团队是第一个使用铁电概念来减轻离子传输的人。
该论文的第一作者、来自马克斯·普朗克聚合物研究所的Beomjin Jeong博士解释说:“将离子推离传输通道只能通过能够诱导大表面电荷的辅助栅极材料来实现，例如铁电体或电解质。“我们选择铁电聚合物是因为它们的兼容性和在钙钛矿层上易于加工。”
参与该项目的科学家预计，人们将对他们开发的平台产生广泛兴趣，其他研究人员正在扩大寻找能够与钙钛矿配对的高表面电荷密度材料的范围。由铁电层获得的对晶体管沟道中离子数量的良好控制对于需要同时控制离子和电子的其他应用可能是有益的。
“室温卤化物钙钛矿场效应晶体管通过离子传输缓解”发表在《先进材料》杂志上。
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