铜掺杂SnI_2基层状类钙钛矿杂合物的结构与性能研究

【摘要】：层状类钙钛矿有机-无机杂合物是一种由有机铵盐与金属卤化物八面体层交替排列、于分子尺度上复合而成的杂化材料,构成天然的量子阱能带结构,没有常规复合材料中的相界面；它的出现使材料在分子尺度上兼具有机材料与无机材料的性能优势成为可能,人们可以根据使用需要来选取不同性质的组成单元,从而极大地丰富了新型功能材料的种类。 就电学性能而言,层状类钙钛矿有机-无机杂合物材料目前仍没有达到使用要求,如作为场效应晶体管沟道材料,其载流子迁移率已接近非晶硅水平,但载流子浓度较低、电阻率较高。因此在允许载流子迁移率损失不大的前提下提高杂合物材料的载流子浓度与导电性对于该类材料的应用研究具有重要的意义。 本文选择[100]取向型单钙钛矿层杂合物(R-NH3)2SnI4为研究对象,两种有机元分别为p-苯乙胺及2-溴乙胺,采用CuI作为受主掺杂组元,液相方法合成了系列杂合物粉晶并用旋涂法制得其薄膜。用火焰原子吸收光谱法测定了进入晶格的实际掺杂量,用粉末X射线衍射仪、扫描电镜、紫外-可见分光光度计及霍尔效应测试仪得到了系列产物的结构与电性能数据。 研究发现,有机元对于无机元在形成杂合物结构时的模板作用对杂合物晶体结构、带隙及电性能有重要的影响；模板效应较强的p-苯乙胺系列产物(002)晶面发育较好,无机钙钛矿层较小的结构畸变既降低了杂合物带隙又减少了本征半导体中的受主缺陷,掺杂较易成功；载流子受杂质散射影响显著,随着杂质浓度增加载流子迁移率衰减明显。而在模板效应较弱的2-溴乙胺系列中,在有机碳链R上引入的吸电子基-Br未对减小钙钛矿层结构畸变起到显著作用；其产物在本征状态时受主缺陷较多、载流子浓度较大,相同条件下引入的掺杂量较小,载流子受杂质散射的影响不很明显,随着杂质浓度增加载流子迁移率衰减较小；综合各项电性参数在两系列产物中得到了载流子迁移率较高、电阻率较小的易成膜掺杂半导体杂合物材料。