[논문 리뷰] Achieving ultrahigh carrier mobility and photo-responsivity in solution-processed perovskite/carbon nanotubes phototransistors

Hong Wang, Feng Li외 15명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 12.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 용액 처리된 퍼보스카이트 필름에 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs)를 임베딩함으로써 실리콘 기반 퍼보스카이트 필름의 적합성 향상에 기여하며, 정상적인 전자 이동도를 기록적으로 향상시킨다. 홀 이동도는 595.3 cm² V⁻¹ s⁻¹, 전자 이동도는 108.7 cm² V⁻¹ s⁻¹에 도달하였다. 이 이중성질 광트랜지스터에서, 이 하이브리드 구조는 초고감도의 반응도(1 × 10⁴ A W⁻¹)와 감도(6 × 10¹⁴ Jones)를 달성하였으며, 퍼보스카이트 전구체 용액은 SWNT 분산액을 안정화시켜 확장 가능한 복합재료 제조를 가능하게 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 용액 처리된 퍼보스카이트 박막에서 제한된 실리콘 기반 이동도로 인해 기기 성능이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 탄소 나노튜브와의 통합을 통해 퍼보스카이트 기반 광트랜지스터의 옵티오일렉트로닉 성능을 향상시키기 위해.
• 퍼보스카이트 전구체가 단일벽 탄소 나노튜브 분산액에 미치는 안정화 효과를 탐색하기 위해.
• 고성능 옵티오일렉트로닉 응용 분야를 위한 확장 가능한, 용액 처리 기반 하이브리드 재료 체계를 개발하기 위해.

제안 방법

• 용액 처리를 통해 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs)를 유기铅 삼할라이드 퍼보스카이트 필름에 통합하기.
• 디메틸포름아미드 기반의 퍼보스카이트 전구체 용액을 SWNT 분산액의 안정제로 활용하기.
• 이중 실리콘 기반 이동도를 가능하게 하는 하이브리드 퍼보스카이트/SWNT 채널을 갖춘 이중성질 광트랜지스터 제조하기.
• 어두운 상태와 조명 조건 하에서 전기적 및 광검출기 성능을 측정하여 반응도와 감도를 정량화하기.
• 어두운 상태와 조명 조건 하에서 필드효과 트랜지스터 특성을 이용해 이동도 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SWNTs를 퍼보스카이트 필름에 통합함으로써 용액 처리 시스템에서 이동도가 크게 향상될 수 있는가?
• RQ2 퍼보스카이트 전구체 용액은 단일벽 탄소 나노튜브의 분산 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 하이브리드 광트랜지스터 구조에서 반응도와 감도 측면에서 얻어진 광검출기 성능는 어떠한가?
• RQ4 이 하이브리드 퍼보스카이트/SWNT 시스템은 전자와 홀 모두에 대해 높은 효율로 이중성질 이동도를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 하이브리드 퍼보스카이트/SWNT 광트랜지스터는 홀 이동도 595.3 cm² V⁻¹ s⁻¹를 기록적으로 달성하였으며, 이는 용액 처리 시스템에서의 최고 기록이다.
• 전자 이동도는 108.7 cm² V⁻¹ s⁻¹에 도달하여 전체 전하 이동도가 크게 향상되었다.
• 장치는 1 × 10⁴ A W⁻¹의 반응도를 나타내었으며, 퍼보스카이트 기반 광검출기 중에서 가장 높은 수준에 속한다.
• 감도는 6 × 10¹⁴ Jones에 도달하여 저조도 신호에 대한 놀라운 감도를 보였다.
• 디메틸포름아미드에 포함된 퍼보스카이트 전구체는 SWNT 분산액을 안정화시켜 균일한 복합재료 형성을 가능하게 하였다.