前言

有机金属卤化钙钛矿(OHPs)由于其优异的光电性能而显示出作为光电材料的潜力。使用第一原理理论计算和实验电荷输运研究表明，OHPs表现出可达10-100 cm2 V - 1 s - 1的高载流子体积移动率((b))。对OHP场效应晶体管(FETs)的研究开始于基于锡的分层OHP材料，后来有报道称，通过介电表面修饰，它们的移动能力可以提高到>10 cm2 V−1 s−1。最近的研究表明，通过使用偶联的低噻吩配体,OHP FETs可以在环境条件下稳定数月。然而，在基于广泛探索的铅基三维(3D) OHPs的FETs中，离子迁移仍然是一个抑制因素。这妨碍了对本征电荷输运特性的观察。当在室温(RT)附近操作时，离子迁移导致屏蔽所施加的栅电场、大的磁滞和令人失望的低场效应移动。成功的RT操作需要仔细地优化OHP膜的形态和组成，并且需要在光照射下或在具有器件偏振性的电脉冲模式下进行测量。要开发高移动率的钙钛矿FET，必须找到一个解决迁移离子缺陷问题的方法，这是稳定的，适用于广泛的OHP材料。

研究内容

剑桥大学的最新研究报告了一种表面清洁和钝化技术，它抑制表面离子缺陷在大范围OHPs中的迁移。该过程包括三个步骤:初始清洁步骤从表面去除弱结合的物质，修复步骤去除表面有机卤化物空缺，最后清洁步骤去除由修复步骤引入的残留离子物质。通过仔细控制共溶剂极性，OHP薄膜显示没有改变表面形貌或蚀刻效果。经过优化处理的甲基碘化铅(MAPbI3) FET在RT时表现为3.0 cm2 V−1 s−1 (n型)和1.8 cm2 V−1 s−1 (p型)，并且迟滞现象减少。在80k时，FET的迁移率增加到最大值10.6 cm2 V−1 s−1，并且基本上没有迟滞。

实验方法

OHPs的缺陷物理性质丰富且复杂，尽管对结晶过程进行了广泛的改进，但薄膜表面和晶界通常包含大量空位、悬空键缺陷、非钙钛矿相夹杂物和残余前体形态。在FETs中，操作依赖于表面电荷的积累和表面传输，因此器件对OHP表面的状态特别敏感。在该研究开始时，一个引人注目的观察结果与扫描电子显微镜(SEM)成像过程中OHP薄膜的显著降解有关。在用电子束成像MAPbI3薄膜的一个区域后，当作为更大的表面扫描的一部分再次成像时，扫描区域显示出减少的二次电子发射。电子束成像引起的表面降解，可能是由于在表面形成弱键合的碳质物种，可以通过在异丙醇中洗涤步骤消除。

清洁-愈合-清洁表面钝化工艺的设计。

离子迁移的SKPM表征

表面钝化前后薄膜的微观结构

C-H-C表面处理制备的钙钛矿场效应晶体管的性能

Pbi2向MAPbi3微血小板单晶的转化。

结论

文中报道了一种有机卤化物钙钛矿半导体的表面清洁和钝化方法。该过程包括第一个清洁步骤，旨在从表面去除弱结合的缺陷物质，接着是修复步骤，旨在保护膜的形态，同时允许离子表面缺陷愈合，以及最后的清洁步骤。实验证明，该过程可以有效地抑制离子表面缺陷的迁移，并在可以忽略滞后的情况下实现高FET器件性能，即使对于简单的单阳离子MAPbI3体系，在p型和n型体系中也是如此。该工艺适用于广泛的3D钙钛矿组成和成膜工艺，也可能有益于其他相关材料体系，包括2D钙钛矿和其他器件结构，如发光二极管和太阳能电池单元。

文章来源

She, X., Chen, C., Divitini, G. et al. A solvent-based surface cleaning and passivation technique for suppressing ionic defects in high-mobility perovskite field-effect transistors. Nat Electron (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-020-00486-5。