[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究证明，将单壁碳纳米管（SWNTs）嵌入溶液处理的钙钛矿薄膜中可显著提高载流子迁移率，空穴迁移率达到创纪录的595.3 cm² V⁻¹ s⁻¹，电子迁移率达到108.7 cm² V⁻¹ s⁻¹。在双载流子光晶体管中，该复合结构实现了超高的响应度（1 × 10⁴ A W⁻¹）和探测度（6 × 10¹⁴ Jones），且钙钛矿前驱体溶液可稳定SWNT分散体系，实现可扩展的复合材料制备。

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.

研究动机与目标

• 为克服溶液处理钙钛矿薄膜中载流子迁移率有限的问题，该问题限制了器件性能。
• 通过与碳纳米管集成，提升基于钙钛矿的光电器件的光电性能。
• 探索钙钛矿前驱体对单壁碳纳米管分散体系的稳定作用，以实现复合材料的制备。
• 开发一种可扩展的、溶液处理的混合材料体系，用于高性能光电器件应用。

提出的方法

• 通过溶液处理方法将单壁碳纳米管（SWNTs）引入有机铅三卤化物钙钛矿薄膜。
• 利用基于二甲基甲酰胺的钙钛矿前驱体溶液作为SWNT分散体系的稳定剂。
• 制备具有混合钙钛矿/SWNT沟道的双载流子光晶体管，实现双极性载流子输运。
• 在受控光照条件下测量电学性能和光电探测器性能，以量化响应度和探测度。
• 通过暗态和光照下的场效应晶体管特性分析载流子迁移率。

实验结果

研究问题

• RQ1 SWNTs与钙钛矿薄膜的集成是否能显著提升溶液处理体系中的载流子迁移率？
• RQ2 钙钛矿前驱体溶液如何影响单壁碳纳米管的分散稳定性？
• RQ3 在该混合光晶体管结构中，光电探测器的响应度和探测度性能如何？
• RQ4 该混合钙钛矿/SWNT体系能否实现高效双极性输运，同时具备高电子和空穴迁移率？

主要发现

• 该混合钙钛矿/SWNT光晶体管实现了595.3 cm² V⁻¹ s⁻¹的空穴迁移率，为溶液处理体系的创纪录数值。
• 电子迁移率达到108.7 cm² V⁻¹ s⁻¹，显著提升了整体电荷输运性能。
• 该器件表现出1 × 10⁴ A W⁻¹的响应度，为目前报道的钙钛矿基光电探测器中最高之一。
• 探测度达到6 × 10¹⁴ Jones，表明对弱光信号具有极高的敏感性。
• 二甲基甲酰胺中的钙钛矿前驱体稳定了SWNT分散体系，实现了均匀复合材料的形成。