2차원에서 페로브스카이트 층을 통해 이온 이동

2023년 4월 12일

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정전기 도핑은 탄소나노튜브(CNT)를 포함한 저차원 물질과 그래핀, 전이금속 디칼코게나이드(TMD)와 같은 2차원 물질에 널리 사용되어 왔다. 불순물 원자를 이용한 기존의 격자 도핑과 달리, 제한된 물리적 공간으로 인해 나노 규모의 재료에서 도핑을 달성하는 것은 어렵습니다. 정전기 도핑은 원자 배열을 교란시키고 나노크기 물질의 본질적인 전자 특성을 저하시킬 수 있는 불순물 원자를 도입하지 않고 나노크기 물질의 전하 캐리어를 조정하는 효과적인 경로를 열어줍니다.

eLight에 발표된 새로운 논문에서 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 이성준 교수와 Hung-Chieh Cheng이 이끄는 과학자 팀은 메틸암모늄 납 요오드화 페로브스카이트(CH3NH3PbI3)/2DSC 이종접합 장치를 개발했습니다.

최근 단층 2D 재료에서 pn 접합을 생성하기 위해 이온성 고체가 연구되었습니다. 동결된 이동 이온은 기본 2D 반도체 채널의 캐리어 밀도를 변조하기 위해 정전기장을 제공합니다. 이온성 고체의 모양이 잘 정의되어 있기 때문에 2D 반도체(2DSC)의 도핑을 로컬로 제어하면 누화를 최소화하면서 고체 전자/광전자 장치를 통합할 수 있는 다양한 설계가 가능해집니다.

가역적으로 프로그래밍 가능한 트랜지스터, 다이오드, 포토다이오드 및 논리 게이트를 달성하기 위해 2DSC의 캐리어 유형을 조정하기 위해 고체 상태 초이온 요오드화은(AgI)의 은 이온 조작이 사용되었습니다.

단층 TMD는 전기적으로 조정 가능한 발광 다이오드(LED), 게이트 제어 pn 접합 다이오드 및 태양 전지와 같은 새로운 광전자 응용 분야에 널리 채택되었습니다. 그러나 단층 TMD는 고성능 광전자 응용 분야에 대해 몇 가지 본질적인 한계를 나타냅니다. 원자적으로 얇은 2D 격자에 불순물 도펀트를 통합하는 것은 원자적으로 얇은 격자의 물리적 공간에 의해 근본적으로 제한되었습니다.

선택된 격자 도펀트를 사용하여 단층 2DSC에서 전하 도핑 유형/밀도를 조정하는 것은 지속적인 과제였습니다. 결과적으로, 2DSC로 만든 pn 포토다이오드는 p 측 또는 n 측의 비이상적인 접촉으로 인해 종종 문제가 발생하여 달성 가능한 개방 회로 전압(VOC)이 제한됩니다. 또한 2DSC의 전체 광 흡수 및 스펙트럼 감도는 원자적으로 얇은 구조로 인해 근본적으로 제한됩니다. 이는 광캐리어 생성 효율과 달성 가능한 외부 양자 효율(EQE)을 손상시킵니다.

다른 잘 알려진 광전자 재료와 이질적으로 통합하여 이러한 본질적인 한계를 극복하기 위해 상당한 노력이 기울여졌습니다. 예를 들어, 유기 염료 분자와의 인터페이스는 광전기 특성을 제어하는 ​​효과적인 전략으로 입증되었습니다. 하이브리드 납 할로겐화물 페로브스카이트(LHP)는 뛰어난 광전자 성능과 낮은 제조 비용으로 인해 광전지 분야에서 상당한 주목을 받아왔습니다.

뛰어난 잠재력에도 불구하고 "연질 격자" 이온성 LHP는 일반적으로 전압 바이어스 하에서 이온 이동으로 인해 문제가 발생하여 재료 안정성이 떨어지고 전압 의존 광전류에서 큰 히스테리시스가 발생합니다. 양전하 또는 음전하를 띤 이온의 이동은 인가된 전기장 하에서 이온 축적 또는 이온 전하 불균형을 유발할 수 있습니다. 여기서는 LHP의 이온 전하 불균형을 활용하여 인근 2DSC에서 가역적 도핑을 유도하여 고성능 포토다이오드를 만듭니다.