Что такое органические и неорганические гибридные полупроводники?

Органически-неорганические гибридные полупроводники представляют собой класс материалов, которые объединяют молекулярные компоненты на основе углерода с неорганическими кристаллическими сетями, чаще всего металлические галогениды или оксиды металлов.Определяющей особенностью этих гибридов является синергетическая связь между органическими и неорганическими фазами на молекулярном или наномасштабном уровне, что приводит к свойствам, которые не достижимы ни одним из компонентов. Наиболее известным примером является семейство гибридных перовскитных материалов, таких как йодид свинца метиламмония (CH3NH3PbI3), где органическая катионная структура находится в неорганической галогенидной октаэдрической структуре. Другие важные классы включают металлоорганические структуры (MOF) с полупроводниковыми свойствами, органические-неорганические слоистые соединения и нанокомпозиты, где конъюгированные полимеры смешиваются с квантовыми точками или наночастицами оксида.

Органический компонент обычно обеспечивает структурную гибкость, технологичность решения и способность настраивать уровни энергии посредством молекулярной конструкции. Неорганический компонент обеспечивает высокую мобильность заряда-носителя, сильное поглощение света и надежную термостабильность. Интерфейс между двумя фазами часто обеспечивает эффективную передачу заряда, диссоциацию экситона и излучение света. Эта гибридная архитектура позволяет исследователям проектировать зазоры полос, диэлектрические константы и энергии связывания экситона в широком диапазоне, что делает эти материалы высоко адаптируемыми для конкретных требований устройства.

Основные преимущества перед традиционными полупроводниками

Органические неорганические гибриды предлагают несколько различных преимуществ по сравнению с обычными элементарными (кремний, германий) или составными полупроводниками (GaAs, InP):

  • Настраиваемость разрыва полосы:] Изменяя органический катион, галогенидную композицию или толщину неорганического слоя, оптический разрыв полосы может непрерывно регулироваться по видимому и ближнеинфракрасному спектру. Это особенно ценно для тандемных солнечных элементов и цветонастраиваемых светодиодов.
  • Производимость раствора:] Многие гибридные полупроводники могут быть синтезированы и осаждены из раствора при низких температурах, что позволяет использовать недорогие методы производства, такие как спиновое покрытие, струйное покрытие и струйная печать. Это устраняет необходимость в дорогостоящих методах вакуумного осаждения, используемых в традиционном полупроводниковом производстве.
  • Механическая гибкость: Органический компонент придает механическую гибкость и даже растяжимость, позволяя гибридным полупроводникам интегрироваться в гибкие дисплеи, носимые датчики и совместимые фотоэлектрические устройства.
  • Высокая допускаемость дефектов: Гибридные перовскиты демонстрируют замечательную устойчивость к точечным дефектам и границам зерен, сохраняя высокие фотолюминесцентные квантовые выходы и длинные длины диффузии носителей даже в поликристаллических тонких пленках.Это значительный отход от традиционных полупроводников, где дефекты обычно выступают в качестве центров рекомбинации.
  • Экономичность: Сырье для многих гибридов в изобилии и недорого, а пути синтеза часто протекают в условиях окружающей среды. Это открывает дверь для масштабируемого, недорогого производства полупроводниковых приборов.
  • Сильное взаимодействие света и материи: Гибридные полупроводники обычно имеют высокие коэффициенты поглощения, что позволяет тонкопленочным устройствам с толщиной порядка сотен нанометров захватывать большую часть падающего света.

Текущие приложения, вызывающие коммерческий интерес

Перовскитные солнечные элементы

Наиболее заметное применение органических неорганических гибридных полупроводников — в фотоэлектрических устройствах. Перовскитные солнечные элементы достигли эффективности преобразования энергии, превышающей 26% в однопереходных конфигурациях, конкурируя с кристаллическим кремнием. Возможность настраивать разрыв полосы посредством смешивания галогенида позволяет строить тандемные ячейки, которые соединяют верхнюю ячейку перовскита с нижней ячейкой кремния, толкая эффективность выше 33%. Такие компании, как Oxford PV и Longi, запустили коммерческие модули, которые используют эту технологию. Ключевыми драйверами являются низкая стоимость материала, простое изготовление и высокая производительность. Текущие исследования направлены на улучшение долгосрочной рабочей стабильности при нагревании и влажности, а также на решение проблем токсичности свинца путем изучения альтернатив на основе олова или висмута.

Светоизлучающие диоды (LED)

Гибридные перовскиты также демонстрируют исключительные перспективы в качестве излучающих слоев в светодиодах. Перовскитные светодиоды (PeLED) могут достигать почти единичных фотолюминесцентных квантовых выходов и узких ширин эмиссионных линий, что делает их привлекательными для дисплеев следующего поколения. Заменив органические катионы (например, формамидиний, фенилетиламмоний) или используя слоистые структуры квази-2D, исследователи продемонстрировали устройства с внешней квантовой эффективностью выше 20% в зеленых, красных и ближних инфракрасных длинах волн. Гибкость органического компонента дополнительно позволяет изготавливать растягиваемые или складные светоизлучающие устройства для носимой электроники.

Фотодетекторы и датчики изображений

Высокий коэффициент поглощения и длительный срок службы гибридных полупроводников приводят к отличным возможностям фотодетектирования. Фотодетекторы перовскита были продемонстрированы с чувствительностью, превышающей 10 А/Вт, и детектируемостью, сравнимой с коммерческими кремниевыми фотодиодами. Их способность осаждаться непосредственно на гибкие подложки позволяет создавать легкие массивы изображений большой площади. Исследовательские группы также разработали двухдиапазонные и рентгеновские детекторы на основе перовскитных монокристаллов, открывая приложения в медицинской визуализации и сканировании безопасности. Органически-неорганические гибриды особенно подходят для широкополосного фотодетектирования, покрывающего ультрафиолетовые волны до ближних инфракрасных длин волн.

Экологические и газовые датчики

Электрическая проводимость и фотолюминесценция гибридных полупроводников высокочувствительны к поверхностным адсорбатам, что делает их эффективными газовыми датчиками. Например, йодидные пленки метиламмония показывают обратимые изменения сопротивления при воздействии аммиака, влажности или летучих органических соединений. Сочетание высокой площади поверхности из наноструктурированных морфологий и настраиваемой химической функциональности из органического компонента позволяет избирательно обнаруживать целевые аналиты. Такие датчики могут эксплуатироваться при комнатной температуре с низким энергопотреблением, что выгодно для портативных систем мониторинга окружающей среды.

Новые исследования и будущие направления

Устранение стабильности и долговечности

Основным барьером для широкой коммерциализации гибридных полупроводников, особенно перовскитов, является их чувствительность к кислороду, влаге, теплу и свету. Методы инкапсуляции, такие как осаждение барьерных слоев атомным слоем или интеграция с 2D-материалами, такими как графен, продемонстрировали перспективность в продлении срока службы устройств. Другой подход — композиционная инженерия: замена летучих органических катионов более крупными гидрофобными органическими молекулами или полностью неорганическими структурами на основе цезия. Исследователи также разрабатывают механизмы самовосстановления, где материал может восстанавливать повреждения, вызванные светом, посредством миграции мобильных ионов.

Материалы без свинца и экологичные

Экологические проблемы, связанные с содержанием свинца в наиболее эффективных гибридных перовскитах, стимулировали поиск нетоксичных альтернатив. Перовскиты на основе тиновых соединений (например, CsSnI3, FASnI3) обладают аналогичными электронными свойствами, но страдают от быстрого окисления. Двухперовскиты на основе бисмута (например, Cs2AgBiBr6) по своей природе стабильны и не содержат свинца, хотя их производительность отстает. Медные и германиевые соединения также находятся под следствием. Задача состоит в поддержании высокой переносимости дефектов и подвижности носителей заряда галогенидов свинца при устранении токсичности.

Новые методы синтеза и депозиционирования

Для расширения производства исследователи выходят за рамки спинового покрытия на масштабируемые методы, такие как лезвие, слот-дие покрытие и осаждение паров. Осаждение паров обеспечивает точный контроль толщины и состава пленки, позволяя пленки большой площади, без пинхолов. Для процессов растворения использование антирастворителей, аддитивная пассивация и контроль химии предшественников улучшило кристалличность и однородность пленки. Еще одним рубежом является синтез коллоидных нанокристаллов гибридных полупроводников, которые могут обрабатываться как квантовые точки для печатной электроники.

Интеграция с 2D-материалами и квантовыми структурами

Сочетание органически-неорганических гибридов с 2D-материалами, такими как графен, MoS2 или гексагональный нитрид бора, открывает новые архитектуры устройств. Например, гетероструктуры ван дер Ваальса, которые сэндвичируют слой перовскита между графеновыми электродами, продемонстрировали сверхбыстрые эффекты фотодетекции и энергонезависимой памяти. Сильная спин-орбитальная связь в гибридах также делает их интересными для спинтронных применений. Кроме того, слоистые гибридные перовскиты с органическими катионами спейсера естественным образом образуют квантовые структуры скважин, которые исследуются для экситонных устройств и лазирования.

Заключение

Органически-неорганические гибридные полупроводники перешли от лабораторного любопытства к платформе с подлинным технологическим воздействием. Их уникальная комбинация настраиваемых оптоэлектронных свойств, технологичности решения и механической гибкости позиционирует их как ключевые материалы для электроники следующего поколения, преобразования энергии и зондирования. Хотя проблемы, связанные со стабильностью и совместимостью с окружающей средой, остаются, темпы прогресса предполагают, что практические, коммерчески жизнеспособные устройства находятся в пределах досягаемости. Продолжение междисциплинарных исследований, охватывающих химию, физику и инженерию, будет иметь важное значение для раскрытия полного потенциала этих увлекательных материалов. Для дальнейшего чтения см. Всесторонний обзор по материалам Nature Reviews Zhang et al. в Nature Reviews Materials о принципах проектирования гибридных перовскитов и последние достижения, сообщенные Snaith in Science о стабильности перовскитных солнечных элементов. Обновления промышленности из Ox