什么是有机无机混合半导体?

有机无机杂交半导体代表了一类将碳基分子成分与无机晶体网络结合的材料,最常见的是金属卤化物或金属氧化物。 这些杂交体的决定性特征是分子或纳米尺度的有机和无机相之间的协同结合,产生任何一种成分都无法实现的特性。 最著名的例子是杂交过氧化物材料的家族,如碘化亚胺铅(CH3NH3PbI3),其中有机化物坐落在无机铅-卤化八面体框架之内。 其他重要的类别包括具有半导体特性的金属-有机框架(MOF),有机-无机层化合物,以及将聚合聚合物与量子或氧化物纳米粒子混合在一起的纳米聚合物。

有机成分通常能提供结构灵活性、溶液可处理性,以及通过分子设计调谐能量水平的能力。 无机成分能提供高电荷的流动性、强光吸收和强热稳定性。 这两个阶段之间的接口往往能有效电荷转移、排泄物分离和光排放。 这种混合结构使研究人员能够广泛研究波段缺口、电离常数和排泄物捆绑能量,使这些材料非常适应特定设备的要求。

关键优势于传统半导体

有机无机杂交在与常规元素(硅, ⁇ )或化合物半导体(GaAs, InP)相比,提供了几个截然不同的优势: 有机无机杂交: 有机无机杂交物具有与常规元素(硅, ⁇ )或化合物半导体(GaAs, InP)相比,有机无机杂交物具有一定的优势.

  • 板隙金枪鱼的可捕性: 通过改变有机配体、卤化物成分或无机层厚度,光学带间隙可以在整个可见和近红外光谱中不断调整。这对连带太阳能电池和色调LED特别宝贵。
  • 溶解可处理性:[ 许多混合半导体可以在低温下从溶液中合成并沉淀,从而能够采用自旋涂层,槽代涂层,喷墨印刷等低成本制造技术,这就不需要传统半导体制造中使用的昂贵的真空沉降方法.
  • 机械灵活性: 有机元件传递机械灵活性甚至伸缩性,允许混合半导体集成于灵活的显示器,可穿戴传感器,以及符合要求的光伏装置.
  • 高缺陷耐受性: 混合过氧化物表现出显著的抗力,可以指向缺陷和谷物边界,即使在多晶体薄膜中也保持高光发率量子和长载体扩散长度。这是与传统的半导体的重大区别,其中缺陷通常起到重组中心的作用。
  • 成本效率:[ 许多杂交体的原料丰富,价格低廉,合成途径往往在环境条件下进行,这为半导体装置的可伸缩,低成本生产打开了大门.
  • strong光线–物质相互作用: 混合半导体通常具有较高的吸收系数,使数百纳米左右厚度的薄膜设备能够捕捉到大部分事件光线.

驱动商业权益的当前应用程序

佩罗夫斯基太阳电池

有机无机杂交半导体最显著的应用是在光伏设备中. 佩罗夫斯基特太阳能电池在单管构型中实现了超过26%的功率转换效率,与晶体硅相竞争. 通过卤化物混合调节带宽差距的能力可以构建连带细胞,将一个超诺夫斯基特顶电池与硅底电池配对,将效率推向33%以上. 牛津光电公司和龙井公司推出了利用这一技术的商业模块. 关键驱动力是材料成本低,简单制造,性能高. 正在进行的研究侧重于在热水下改善长期运行稳定性,以及通过探索锡基或双子基替代品来解决铅毒性问题.

灯光二极管(LED)

混合过氧化物还表现出超乎寻常的希望,如LED的发射层. Perovskite LEDs(PeLEDs)可以实现近统一光发量子和窄排线网,使其对下一代的显示具有吸引力. 通过取代有机配体(如:组分、苯乙酰胺)或使用层状准-2D结构,研究人员在绿色、红色和近红外波长中演示了外部量子效率超过20%的装置,有机组件的灵活性进一步使可伸缩或可折叠的光发射装置能够用于可磨损的电子。

光检测器和图像传感器

混合半导体的高吸收系数和长载寿命转化为极佳的光探测能力. Perovskite光探测器的应力超过10 A/W, 并且具有与商业硅光二极体相当的探测力. 其直接沉积在柔性底物上的能力使得能产生轻量级,大面积成像阵列. 研究小组还开发了基于过波夫斯基特单晶体的双波段和X射线探测器,开启了医学成像和安全扫描中的应用. 有机无机混合体特别适合宽带光探测,覆盖紫外线到近红外波长.

环境和气体传感器

混合半导体的电导性和光发性对表面吸附物有高度敏感性,使它们成为有效的气体传感器,例如,甲基铵铅碘薄膜在接触氨、湿度或挥发性有机化合物时显示出可逆阻力的变化,纳米结构形态的高表面积和有机成分的可捕化学功能相结合,可以选择性地检测靶分析物,这种传感器可以在室温下运行,能耗低,有利于便携式环境监测系统。

新兴研究和未来方向

解决稳定和可忽略性问题

杂交半导体,特别是过氧化物广泛商业化的主要障碍在于其对氧气、水分、热和光的敏感性。 封装技术,如屏障层的原子层沉积或与石墨等2D材料的结合,在延长装置寿命方面显示出希望。 另一种方法是构件工程:用更大的疏水有机分子或完全无机铯框架取代挥发性有机化的化学分子。 研究人员还在开发自愈合机制,使材料能够通过移动离子迁移修复光引起的损害。

不含铅和生态友好材料

对最有效的杂交过氧化物中铅含量的环境关切促使人们寻找无毒替代品。锡类过氧化物(例如CsSnI3、FASnI3)具有类似的电子特性,但受到快速氧化的影响。 碱基双过氧化物(例如Cs2AgBiBr6)虽然性能滞后,但本质上是稳定的,无铅的。铜和 ⁇ 化合物也在调查中。挑战在于保持高的缺陷耐受性,在消除毒性的同时对含铅卤化物的载体组装物充电。

新的综合和沉积方法

为了扩大生产,研究人员正在从自旋涂层转向可伸缩技术,如叶片涂层、槽代涂层和蒸汽沉降。 蒸汽沉降对薄膜厚度和组成提供了精确的控制,使得大面积、无针孔膜成为可能。 对于溶液过程,使用抗溶剂工程、添加剂钝化和前体化学控制提高了薄膜结晶性和统一性。 另一个前沿是混合半导体的共晶纳米晶体合成,这些晶体可以像印刷电子的量子点一样处理。

与2D材料和量子结构的结合

将有机无机杂交与二维材料(如石墨、MOS2)或六角形硼硝化物相结合,打开了新的设备架构。 比如,范德瓦尔斯异构在石墨电子极之间将一个超低温层进行三明治,证明了超快的光探测和非挥发性记忆效应。 强力的自旋-轨道耦合也使它们对自旋应用感兴趣。 此外,与有机空间计配体的分层杂交杂交物自然形成量子井结构,这些结构正在探索中,用于外向装置和拉链。

结论

有机无机杂交半导体已经从实验室好奇心转变为具有真正技术影响的平台,它们独特的可捕光光电子特性、溶液处理性以及机械灵活性组合,将它们定位为下一代电子、能源转换和感知的关键材料,虽然稳定性和环境兼容性方面的挑战依然存在,但进展速度表明,实用、商业上可行的装置已经可以实现,跨越化学、物理和工程的跨学科研究对于释放这些令人着迷的材料的全部潜力至关重要,关于进一步阅读,见 Zhang等人在《自然评论材料》中就杂交超前科生物设计原则[ 以及[科学所报的最近进展,关于过科太阳细胞稳定性的工业更新 Oxford PV着重介绍在双硅-perovskite模块方面的商业进展。