[論文レビュー] Achieving ultrahigh carrier mobility and photo-responsivity in solution-processed perovskite/carbon nanotubes phototransistors

Hong Wang, Feng Li+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2015

Perovskite Materials and Applications参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、溶液処理法で作製したペロブスカイト膜に単層カーボンナノチューブ（SWNTs）をドーピングすることにより、キャリア移動度が著しく向上し、ホールの移動度が595.3 cm² V⁻¹ s⁻¹、電子の移動度が108.7 cm² V⁻¹ s⁻¹という記録的値を達成した。アンビポーラ光トランジスタにおいて、このハイブリッド構造は超高感度の応答度（1 × 10⁴ A W⁻¹）と検出能（6 × 10¹⁴ Jones）を実現した。ペロブスカイト前駆体溶液はSWNT分散系を安定化させ、スケーラブルな複合材料の作製を可能にした。

ABSTRACT

Organolead trihalide perovskites have drawn substantial interest for applications in photovoltaic and optoelectronic devices due to their low processing cost and remarkable physical properties. However, perovskite thin films still suffer from low carrier mobility, limiting their device performance and application potential. Here we report that embedding single-walled carbon nanotubes into halide perovskite films can significantly enhance the hole and electron mobilities to record-high values of 595.3 and 108.7 cm2 V-1 s-1, respectively. In the ambipolar phototransistors with such hybrid channels, photo-carriers generated in the light-absorbing perovskite matrix are transported by the carbon nanotubes, leading to ultrahigh detectivity of 6 * 1014 Jones and responsivity of 1 * 104 A W-1. We find that the perovskite precursor in dimethylformamide solution serve as an excellent stabilizer for the dispersion of carbon nanotubes, which potentially extend the scope of applications of perovskites in solution-processed functional composites. The unprecedented high performances underscore the perovskite/carbon nanotubes hybrids as an emerging class of functional materials in optoelectronic and other applications.

研究の動機と目的

• 溶液処理法で作製されたペロブスカイト薄膜におけるキャリア移動度の低さがデバイス性能を制限するという問題を克服すること。
• カーボンナノチューブと統合することで、ペロブスカイトベースの光トランジスタのオプトエレクトロニクス的性能を向上させること。
• ペロブスカイト前駆体が単層カーボンナノチューブ分散系に与える安定化効果を調査し、複合材料の作製法を検討すること。
• 高性能オプトエレクトロニクス用途に適したスケーラブルな溶液処理法によるハイブリッド材料システムの開発

提案手法

• 溶液処理法を用いて、有機鉛トリハライドペロブスカイト膜に単層カーボンナノチューブ（SWNTs）を組み込むこと。
• ジメチルホルムアミドを用いたペロブスカイト前駆体溶液を、SWNT分散の安定化剤として利用すること。
• ハイブリッドペロブスカイト/SWNTチャネルを有するアンビポーラ光トランジスタを形成し、両キャリアの輸送を実現すること。
• 制御された照度条件下で電気的および光検出器性能を測定し、応答度と検出能を定量すること。
• 暗所および照度下でのフィールド効果トランジスタ特性を用いてキャリア移動度を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SWNTsをペロブスカイト膜に統合することで、溶液処理系においてキャリア移動度が著しく向上するか？
• RQ2 ペロブスカイト前駆体溶液は単層カーボンナノチューブの分散安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 このハイブリッド光トランジスタ構造における光検出器性能（応答度と検出能）はいかほどか？
• RQ4 ハイブリッドペロブスカイト/SWNTシステムは、電子とホールの両方の効率的なアンビポーラ輸送を可能にするか？

主な発見

• ハイブリッドペロブスカイト/SWNT光トランジスタは、ホール移動度が595.3 cm² V⁻¹ s⁻¹に達し、溶液処理系で記録的な値を記録した。
• 電子移動度は108.7 cm² V⁻¹ s⁻¹に達し、全体の電荷輸送性能が著しく向上した。
• デバイスは1 × 10⁴ A W⁻¹という応答度を示し、ペロブスカイトベース光検出器で報告された中で最も高い値の一つであった。
• 検出能は6 × 10¹⁴ Jonesに達し、微弱光信号に対する極めて高い感度を示した。
• ジメチルホルムアミドを用いたペロブスカイト前駆体はSWNT分散を安定化させ、均一な複合材料の形成を可能にした。