一种基于钙钛矿材料的晶体管的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于钙钛矿材料的晶体管的制备方法，由表层向里层依次包括基底、透明导电电极、空穴传输层或电子传输层、钙钛矿半导体层、电子传输层或空穴传输层以及金属导电层，钙钛矿半导体层包括氯化铅络合物，氯化铅络合物是将无水氯化铅粉末与二甲基亚矾溶剂、或N,N‑二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液相混合，使得PbCl2粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂、或N,N‑二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液中，再加入氯苯溶剂搅拌混合后静置，并经过过滤后得到的析出物。本发明专利技术降低了CH3NH3PbCl3‑nYn晶体转化条件，减少PbCl2杂质残留，提高薄膜的平整度，提高钙钛矿半导体层薄膜的光能吸收效率，提高晶体管的效率和稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于晶体管应用
，特别涉及一种基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法。
技术介绍
基于钙钛矿材料的晶体管是一种使用诸如(CH3NH3PbX3-nYn)形式的化合物作为吸光材料的晶体管，其中X、Y=Cl、Br、I等。电池的基本结构如图1所示，从下往上依次分为导电基底层、绝缘层、金属底电极层（源极和漏极）、钙钛矿半导体层、金属栅电极。其中研发重点关注的是钙钛矿半导体层。现有的形成钙钛矿半导体层的主要方法首先将无水氯化铅粉末（PbCl2）直接溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF），加热溶液，此后将溶解好的溶液旋涂在玻璃基底表面，形成一层PbCl2薄膜，加热这层薄膜使得溶剂完全挥发；然后将载有PbCl2薄膜的玻璃基底在甲基氯化铵（MACl）的异丙醇（IPA）溶液中浸泡30秒左右之后取出、旋转甩干、再滴一定量的异丙醇，甩干；或者直接在PbCl2上面旋涂MACl溶液。此后，把薄膜连同玻璃基底转移到加热台上，70~100摄氏度加热10~120分钟。在这个过程中MACl将与PbCl2反应，转化成大小不一的(CH3NH3)PbCl3晶体。由于PbCl2厚度较厚（一般大于200纳米），不易于MACl完全反应，反应不完全，因此当形成了(CH3NH3)PbCl3晶体后，仍旧会有少量的PbCl2杂质残留在薄膜中，形成能态陷阱和缺陷，减少了材料内载流子寿命，降低了材料的载流子迁移率。此外，还影响了薄膜的平整度，造成薄膜的厚度不一，平整度差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法，公开了一种钙钛矿半导体层材料的合成技术，降低了CH3NH3PbX3-nYn晶体转化条件，减少PbX2杂质残留，降低材料内部缺陷密度，提高薄膜的平整度，从而极大地提高钙钛矿半导体层薄膜的载流子寿命和载流子迁移率。本专利技术是这样实现的，提供一种基于钙钛矿材料的晶体管，由表层向里层依次包括基底、绝缘层、金属底电极层、钙钛矿半导体层、金属栅电极，钙钛矿半导体层包括卤化铅络合物，卤化铅络合物的化学通式为：PbX2(U)，其中，X为Cl、I以及Br三种元素中的任意一种，U为二甲基亚矾（简称DMSO）、N,N-二甲基甲酰胺（简称DMF）以及甲胺的四氢呋喃（简称MA）三种化合物中的任意一种；卤化铅络合物是将无水卤化铅粉末（化学通式PbX2，X是Cl、I、Br三种元素中的任意一种）与二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液相混合，使得PbX2粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液中，再加入氯苯溶剂搅拌混合后静置，并经过过滤后得到的析出物。进一步地，基底材料的选择包括但不限于高浓度掺杂的p型晶硅。进一步地，绝缘层生长在基底上，绝缘层的材料包括但不限于二氧化硅。进一步地，绝缘层沉积在基底上，金属底电极层沉积在绝缘层上，并呈两条带状排布在绝缘层的两侧边缘，一侧为源极，另一侧为漏极，在源极和漏极之间留有空隙，所述金属底电极层的材料包括但不限于金和银中至少一种，金属底电极层3沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法中的至少一种。进一步地，钙钛矿半导体层沉积在金属底电极层上以及金属底电极层的源极和漏极两条金属底电极之间的空隙内，形成半导体层。进一步地，金属栅电极沉积在钙钛矿半导体层上，金属栅电极的材料包括但不限于金和银中至少一种，金属栅电极的沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法或磁控溅射法中的至少一种。本专利技术还公开了一种制备上述基于钙钛矿材料的晶体管的方法，包括在金属底电极层上沉积钙钛矿半导体层的方法，整个沉积过程在纯氮气环境中进行，环境气压为1~2大气压，环境温度为20~30摄氏度，所述沉积方法包括以下步骤：第一步，溶解、合成络合物，在20~25摄氏度室温和标准大气压的条件下，将无水卤化铅粉末与二甲基亚矾溶剂或N,N-二甲基甲酰胺溶剂按照配比为1~8mg对应10~20mL的比例混合，搅拌5~10分钟，使得无水卤化铅粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂或N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，得到溶液A；或者，在20~25摄氏度室温和标准大气压的条件下，将无水卤化铅粉末与甲胺的四氢呋喃溶液按照配比为1~3mg对应10~20mL的比例混合，搅拌5~10分钟，使得无水卤化铅粉末完全溶解于甲胺的四氢呋喃溶液中，得到溶液A；其中，所述无水卤化铅粉末、化学通式为PbX2中的X是Cl、I、Br三种元素中的任意一种；第二步，将所述卤化铅络合物溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂，搅拌5~10分钟，得到溶液B，溶液B的浓度为0.5~1.5摩尔/升；第三步，将甲基氯化铵按照30~60mg/mL的质量/体积比例溶解于异丙醇溶剂中（简称IPA）形成溶液C；第四步，将溶液B加热到60~80摄氏度并保持不断搅拌；第五步，取适量加热到60~80摄氏度的溶液B，迅速均匀涂抹在已经沉积了金属底电极层的导电基底表面，涂抹的方式包括但不限于旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夹缝式挤压型涂布、喷涂、喷墨印刷中的至少一种；第六步，在涂抹溶液B形成的薄膜上再涂抹溶液C；第七步，然后，将涂抹了溶液B和C的薄膜在70~100摄氏度下加热10~120分钟，形成钙钛矿半导体层，即半导体吸光层。进一步地，卤化铅络合物为氯化铅络合物。进一步地，在第四步骤中，溶液B中的溶剂挥发后形成的薄膜厚度为300~1000纳米，在已经沉积了金属底电极层的导电基底表面涂抹溶液B后的静置条件：室温~100摄氏度，30~90秒，溶液B内的溶剂基本挥发；在第五步骤中，涂抹溶液C后的静置条件：放置20~60秒，溶液C内的溶剂基本挥发。与现有技术相比，本专利技术的基于钙钛矿材料的晶体管及其制备方法，具有以下特点：1、在钙钛矿半导体层，由卤化铅络合物形成的薄膜可以直接与MACl反应，不需要进行加热处理，常温下就可以生成钙钛矿薄膜，节能、简化流程；2、卤化铅完全转化成卤化铅络合物，节约原材料；3、形成的卤化铅络合物薄膜更为平整，提升卤化铅络合物薄膜的品质，薄膜的内部缺陷更少，薄膜内载流子寿命提高10倍，满足制作薄膜晶体管（TFT）的需求；4、向CH3NH3PbX3-nYn化合物转化的窗口条件（包括退火温度，退火时间以及MACl浓度等）更宽，可以在40~100摄氏度，10分钟~20个小时，MACl浓度40~50mgmL-1的窗口范围内选择，性能波动小，且均能保持高效率；相比
技术介绍
里薄膜处理的条件苛刻、窗口小的问题，适应性更强；5、利用卤化铅络合物制成的晶体管效率更高，稳定性更好。附图说明图1为现有技术中基于钙钛矿材料的晶体管的内部结构示意图；图2为经本专利技术的卤化铅络合物（即PbCl2(DMSO)或PbCl2(DMF)）转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜和经传统的PbCl2单体转化得到的CH3NH3PbCl3薄膜，再经历五种不同的退伙条件后最终得到的薄膜进行XRD测试的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于钙钛矿材料的晶体管，由表层向里层依次包括基底、绝缘层、金属底电极层、钙钛矿半导体层、金属栅电极，其特征在于，所述钙钛矿半导体层包括卤化铅络合物，所述卤化铅络合物的化学通式为：PbX2(U)，其中，X为Cl、I以及Br三种元素中的任意一种，U为二甲基亚矾、N,N‑二甲基甲酰胺以及甲胺的四氢呋喃三种化合物中的任意一种；所述卤化铅络合物是将无水卤化铅粉末与二甲基亚矾溶剂、或N,N‑二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液相混合，使得PbX2粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂、或N,N‑二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液中，再加入氯苯溶剂搅拌混合后静置，并经过过滤后得到的析出物。

【技术特征摘要】
1.一种基于钙钛矿材料的晶体管，由表层向里层依次包括基底、绝缘层、金属底电极层、钙钛矿半导体层、金属栅电极，其特征在于，所述钙钛矿半导体层包括卤化铅络合物，所述卤化铅络合物的化学通式为：PbX2(U)，其中，X为Cl、I以及Br三种元素中的任意一种，U为二甲基亚矾、N,N-二甲基甲酰胺以及甲胺的四氢呋喃三种化合物中的任意一种；
所述卤化铅络合物是将无水卤化铅粉末与二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液相混合，使得PbX2粉末完全溶解于二甲基亚矾溶剂、或N,N-二甲基甲酰胺溶剂、或甲胺的四氢呋喃溶液中，再加入氯苯溶剂搅拌混合后静置，并经过过滤后得到的析出物。
2.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述基底的材料包括但不限于p型掺杂的晶硅。
3.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述绝缘层材料包括但不限于二氧化硅。
4.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述绝缘层沉积在基底上，所述金属底电极层沉积在绝缘层上，并呈两条带状排布在绝缘层的两侧边缘，一侧为源极，另一侧为漏极，在源极和漏极之间留有空隙，所述金属底电极层的材料包括但不限于金和银中至少一种，金属底电极层沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法中的至少一种。
5.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述钙钛矿半导体层沉积在金属底电极层上以及金属底电极层的源极和漏极两条金属底电极之间的空隙内，形成半导体层。
6.如权利要求1所述的基于钙钛矿材料的晶体管，其特征在于，所述金属栅电极沉积在钙钛矿半导体层上，所述金属栅电极的材料包括但不限于金和银中至少一种，所述金属栅电极的沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法或磁控溅射法中的至少一种。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的基于钙钛矿材料的晶体管的制备方法，其特征在于，包括在所述金属底电极上沉积钙钛矿半导体层的方法，整个沉积过程在纯氮气环境中进行，环境气压为1~2大气压，环境温度为20~30摄氏度，所述沉积方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚冀众，颜步一，
申请(专利权)人：杭州纤纳光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33