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半导体可控掺杂：浙大实现116万尼特超亮钙钛矿LED登《自然
时间: 2024-10-16 07:47:41 | 作者: 贝博bb平台登录入口
半导体材料是现代电子信息产业的核心，它的发展为我们的生活持续带来便利和变革。作为领域内的“新星”，钙钛矿半导体受到广泛关注。近日，浙江大学科研团队通过分子掺杂，实现了钙钛矿半导体从n型到p型的连续转变，同时能保持极高的发光性能。在可控掺杂的基础上，团队研制出具有简单结构的钙钛矿LED，并创造了溶液加工LED的亮度记录，达到了116尼特。
这项研究成果，于2024年9月11日，发表在国际顶尖学术刊物《自然》，论文标题为Controllable p- and n-type behaviours in emissive perovskite semiconductors，浙江大学是论文的唯一完成单位和通讯单位。通讯作者为浙江大学光电科学与工程学院/海宁国际联合学院的狄大卫教授和赵保丹研究员，第一作者为浙江大学2020级博士生熊文涛。
“掺杂”是半导体领域的基础概念。半导体材料之所以如此大范围的应用于电子技术，重点是它们能通过掺杂实现p型和n型两种不同的导电特性。
对于传统半导体而言，通过“掺杂”，即在晶格中引入杂质，可以实现对其电学性质的有效控制。例如，在硅中掺入硼，可以使其成为主要传导正电荷（空穴）的p型半导体，而掺入磷则可以使其成为主要传导负电荷（电子）的n型半导体。p型和n型半导体之间形成的p-n结，是现代电子技术的基础。在p-n结界面处，电子和空穴会发生复合，产生随电压急剧变化的电流，从而实现整流、放大、开关等基本功能，再应用在各种电子器件中。对半导体电学性质的调控，催生了包括二极管、晶体管、太阳能电池、探测器、LED和半导体激光器在内的革命性发明。
钙钛矿卤化物是一种新型半导体，在太阳能电池、LED和激光器等器件中表现出优异的光电性能，且易于低成本制备，在近年来得到广泛关注和应用。但由于其结构和成分较为复杂，如何实现对其电学特性的精确调控是领域的重要挑战。之前的研究尝试了多种方法，但难以在保持高发光效率的同时获得良好的电学调控。
“作为半导体家族的一员，钙钛矿理应跟其他半导体材料一样，能够最终靠掺杂调整载流子的极性和浓度”，狄大卫说，“我们进行的一系列实验也证实了这一点：在引入掺杂后，钙钛矿的费米能级(即电子的预期能量)，从半导体带隙的高能级侧逐渐向低能级侧移动。这在某种程度上预示着钙钛矿可以在一定程度上完成从有利于传导电子(负电荷)的n型，向有利于传导空穴(正电荷)的p型转变。
团队使用的掺杂剂—4PACz，在过去被广泛用作高效钙钛矿太阳电池的超薄分子层材料。赵保丹说：“我们偶然发现，4PACz这种实验室里很常见的材料，由于它具有着强烈的吸电子能力，当作为掺杂剂引入钙钛矿半导体时，可以轻松又有效地将原本是n型的钙钛矿转变为p型。同时，在引入掺杂后，钙钛矿半导体仍就保持着很高的荧光效率。此外，我们也发现了适用于钙钛矿的n型掺杂剂。”
当我们可以对钙钛矿半导体的电学性质进行相对有效的控制，就为各种电子器件的设计和制造铺平了道路、开拓出空间。
通常，钙钛矿LED会同时包含电子传输层和空穴传输层，以实现高效载流子注入，来保证器件的卓越性能。不包含空穴传输层的简化钙钛矿LED结构具有制备成本低、可复现性高的优势，但通常发光效率较低。
但通过可控掺杂技术，研究团队成功制备出不包含空穴传输层且性能优异的钙钛矿LED。与此同时，与常规LED相比它还显示出巨大优势。“令人惊喜的是，引入4PACz掺杂制备的p型钙钛矿LED，不仅结构相对比较简单，而且实现了116
cd/m²（116万尼特）的最高亮度，以及28.4%的外量子效率和23.1%的能量转换效率。”熊文涛介绍，“这一些器件的超高亮度刷新了溶液法LED（包括OLED、量子点LED和钙钛矿LED）的纪录，其能量转换效率为可见光钙钛矿LED的顶配水平。”
进一步，团队通过器件建模和光学测量，对这些高性能钙钛矿LED的工作原理进行了探究，结果与他们先前的理解高度一致，即掺杂引起的p型导电行为和载流子复合区的变化，是这些无空穴传输层器件卓越性能的主要贡献因素。
“能够控制钙钛矿半导体中载流子的极性和浓度，意味着新型器件设计和功能开发的可能性。我们研制的高亮钙钛矿LED和p-n结二极管只是一些初步演示。可控掺杂的钙钛矿半导体有望带来新一代光电器件。”狄大卫说。
上述研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金，以及浙江省、海宁市的支持。
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