Migração de íons através da camada de perovskita em duas dimensões

12 de abril de 2023

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pela Academia Chinesa de Ciências

A dopagem eletrostática tem sido amplamente utilizada em materiais de baixa dimensão, incluindo nanotubos de carbono (CNT) e materiais bidimensionais (2D), como grafeno e dicalcogenetos de metais de transição (TMDs). Ao contrário do doping de rede convencional com átomos de impurezas, é um desafio conseguir doping em materiais em nanoescala devido ao espaço físico limitado. A dopagem eletrostática abre um caminho eficaz para ajustar os portadores de carga em materiais em nanoescala sem introduzir átomos de impurezas, que podem perturbar o arranjo atômico e degradar as propriedades eletrônicas intrínsecas dos materiais em nanoescala.

Em um novo artigo publicado no eLight, uma equipe de cientistas liderada pelos professores Sung-Joon Lee e Hung-Chieh Cheng, da Universidade da Califórnia em Los Angeles, desenvolveu um dispositivo de heterojunção de perovskita de iodeto de chumbo e metilamônia (CH3NH3PbI3)/2DSC.

Recentemente, sólidos iônicos foram explorados para criar uma junção pn em materiais 2D monocamada. Os íons móveis congelados fornecem campos eletrostáticos para modular a densidade de portadores do canal semicondutor 2D subjacente. Devido à forma bem definida dos sólidos iônicos, o controle local da dopagem em semicondutores 2D (2DSCs) permite diversos projetos para integrar dispositivos eletrônicos/optoeletrônicos de estado sólido com o mínimo de diafonia.

A manipulação de íons de prata em iodeto de prata superiônico de estado sólido (AgI) foi empregada para adaptar o tipo de portadora de 2DSCs para obter transistores, diodos, fotodiodos e portas lógicas reversivelmente programáveis.

Os TMDs de monocamada têm sido amplamente adotados em novas aplicações optoeletrônicas, como diodos emissores de luz (LEDs) sintonizáveis ​​eletricamente, diodos de junção pn controlados por portão e células solares. No entanto, os TMDs monocamada exibem alguns limites intrínsecos para aplicações optoeletrônicas de alto desempenho. A incorporação de impurezas dopantes nas redes 2D atomicamente finas foi fundamentalmente limitada pelo espaço físico nas redes atomicamente finas.

Tem sido um desafio persistente adaptar o tipo/densidade de dopagem de carga em 2DSCs de monocamada usando dopantes de rede selecionados. Consequentemente, os fotodiodos pn feitos de 2DSCs são frequentemente afetados por contatos não ideais no lado p ou no lado n, limitando a tensão de circuito aberto (VOC) alcançável. Além disso, a absorção total de luz e a sensibilidade espectral dos 2DSCs são fundamentalmente limitadas por sua geometria atomicamente fina. Compromete a eficiência de geração do fotoportador e a eficiência quântica externa alcançável (EQE).

Esforços consideráveis ​​têm sido dedicados a superar tais limitações intrínsecas pela integração heterogênea com outros materiais optoeletrônicos bem conhecidos. Por exemplo, a interface com moléculas de corantes orgânicos demonstrou ser uma estratégia eficaz para controlar suas propriedades optoelétricas. As perovskitas híbridas de haleto de chumbo (LHPs) têm recebido atenção substancial para a energia fotovoltaica devido ao seu excelente desempenho optoeletrônico e baixo custo de fabricação.

Apesar de seu extraordinário potencial, os LHPs iônicos de "rede macia" são tipicamente afetados por migrações de íons sob polarização de tensão, levando a uma estabilidade de material ruim e grande histerese nas fotocorrentes dependentes de tensão. A migração de íons carregados positivamente ou negativamente pode induzir acúmulo de íons ou desequilíbrio de carga iônica sob campos elétricos aplicados. Aqui, exploramos esse desequilíbrio de carga iônica em LHPs para induzir dopagem reversível em 2DSCs próximos para criar fotodiodos de alto desempenho.