MAPbI 3薄膜制备方法的比较，旨在提升光电性能和薄膜三极管性能

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Comparison of MAPbI 3 thin-film fabrication for improved optoelectronic and thin-film triode performance

本研究对比了一步法与两步法制备的MAPbI3薄膜结构、光学及电学特性，发现两步法薄膜晶格更均匀、缺陷更少，载流子寿命延长至34.5ns，光电响应增强50%，频率响应稳定至5MHz，共振于20MHz，40MHz以上衰减明显，验证了两步法在提升薄膜晶体管（TFT）性能方面的优势。

　　

陈蔡伦|Thangaraji Vasudevan|Hariharan Rajasekaran|陈龙坚

台湾台北市国立台北科技大学电光工程系，10608

摘要

本研究全面探讨了通过一步法和两步法制备的甲基铵铅碘化物（MAPbI₃）薄膜的结构、光学和电子特性，这些薄膜适用于薄膜晶体管（TFT）应用。利用UV–Vis、XRD和SEM进行的结构和光学分析表明，一步法制备的薄膜具有更高的结晶度、更大的晶粒尺寸以及更强的光吸收能力；而两步法制备的薄膜则具有更均匀的晶粒形态、更低的缺陷密度，并且载流子寿命显著延长（34.5纳秒对比14.1纳秒），这表明非辐射复合过程受到抑制。对通道宽度为2毫米的TFT器件进行电学表征后发现，两步法制备的薄膜性能有所提升，包括线性漏极电流-栅极电压特性、更低的通道电阻以及明显的光响应，光电流比暗电流高出50%。频率响应测量结果显示，该薄膜在5兆赫兹以下具有稳定的方波跟踪能力，在20兆赫兹附近表现出共振行为，而在40兆赫兹以上则出现信号衰减。这些发现证实，无添加剂的MAPbI₃薄膜，尤其是通过两步法制备的薄膜，能够显著提升器件性能。

引言

有机无机杂化钙钛矿（PVSKs）是一类具有优异光电特性的半导体材料，可通过溶液工艺制备且带隙可调，因此受到下一代电子和光子器件研究的广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。PVSK光伏器件的光电转换效率（PCE）从3.8%迅速提升至超过26%，这推动了相关光电技术（包括发光二极管（LEDs）、光电探测器和X射线成像系统）的深入研究[[5], [6], [7], [8], [9]]。场效应晶体管（FETs）为研究PVSKs的内在电荷传输行为提供了理想的平台[4,10,11]。自1999年Kagan等人首次展示PVSK FETs以来，人们一直在通过材料工程和制备策略优化其性能[12,13]。最近的进展使得PVSK FETs的场效应迁移率达到了70厘米²/伏特，为高性能晶体管架构和可扩展的工业应用奠定了基础[14,15]。

在PVSK材料中，甲基铵铅碘化物（MAPbI₃）因其在多种光电应用中的多功能性而备受关注。其高吸收系数、长的载流子扩散长度和强光致发光特性使其在LEDs中实现高效发光[16,17]；同时，其优异的场效应迁移率和溶液工艺适应性使其能够用于制备高性能薄膜晶体管（TFTs）[[18], [19], [20]]。此外，MAPbI₃还可以作为发光晶体管（LETs）中的活性层[21]，在单一器件中实现电荷传输和光子发射的结合。这些特性使MAPbI₃成为连接能量转换和光发射技术的理想平台。

MAPbI₃还因其宽的可见光吸收范围和高光电导率而在光敏应用中展现出巨大潜力[22,23]。在TFT配置中，光激发会产生大量电子-空穴对，这些对在电场作用下可被有效分离和传输，从而实现光信号到电信号的直接转换[24,25]。尽管具有这种潜力，但MAPbI₃ TFTs的光敏机制仍不甚明了，因为晶体质量、表面缺陷、界面工程和环境条件（如湿度和氧气）等因素会显著影响器件性能。根据Q. Zhu等人的研究，未经改性的MAPbI₃薄膜在电场作用下容易发生离子迁移，导致结构和化学性质逐渐恶化，最终导致TFT器件失效[26]。本研究系统地研究了在不同光照强度、波长和曝光时间下，无添加剂MAPbI₃ TFTs的一步/两步制备过程的光响应。通过分析薄膜形态、晶体结构和载流子动态，我们旨在阐明光诱导电行为的微观机制，并为设计高性能、稳定且高灵敏度的基于MAPbI₃的光敏器件提供指导。

实验材料

铅碘化物（PbI₂）和甲基铵碘化物（MAI）购自Luminescence Technology Corp.；N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）和异丙醇（IPA）购自Youhe Trading Company；HPLC级去离子水（H₂O）和银（Ag）也来自同一公司。具有图案结构的FTO玻璃基底（片电阻为7 Ω/平方）购自Ruilong。

Al₂O₃溶胶-凝胶绝缘层的制备

为了制备Al₂O₃溶胶-凝胶，将3克铝异丙氧化物（Al(OC₃H₇)₃放入...

结果与讨论

为了研究沉积工艺对无添加剂MAPbI₃薄膜光电特性的影响，我们采用了一步法和两步法制备薄膜，并对其结构、形态和光学性质进行了全面分析。图2a显示了两种方法制备的薄膜的UV–Vis吸收光谱，结果表明两种方法制备的薄膜的光学带隙均约为1.58电子伏特。尽管一步法制备的薄膜具有更高的外观...

结论

总之，一步法和两步法均成功制备出了具有不同形态和光电特性的四方相无添加剂MAPbI₃薄膜。一步法制备的薄膜具有更高的结晶度和更强的光吸收能力，而两步法制备的薄膜则具有更均匀的晶粒结构、更低的缺陷密度和更长的载流子寿命。基于两步法制备的TFTs表现出稳定的线性I-V特性、更低的通道电阻、良好的光敏性和一致性...

作者贡献声明

陈蔡伦：方法论、数据分析、概念化。Thangaraji Vasudevan：初稿撰写、方法论研究、数据分析。Hariharan Rajasekaran：初稿撰写、方法论研究、数据分析。陈龙坚：审稿与编辑、监督工作、研究实施、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了台湾科技部（MOST）（合同编号：114-2221-E-027-027-MY3、114-2640-E-027-001）和国立台北科技大学-产业联合研究计划（合同编号：211A171）的支持。