罗健平Nature Commun.：二维钙钛矿和石墨烯的形影相携
罗健平课题组
2020-11-04
第一作者：Kai Leng (冷凯)，Lin Wang (王林)尽管二维有机无机杂化钙钛矿以其优异的稳定性和层状量子肼结构成为光电应用中的明星材料，但表面有机长链在保护无机量子肼的同时又引入了较高的电荷注入势垒，因此电子器件（比如, 场效应晶体管, FET）在有机无机二维杂化钙钛矿中一直鲜有报道。而如何探测和理解电荷传输机理在根本上制约着先进的高性能二维钙钛矿光电器件的发展。近日，电子隧穿透过二维钙钛矿表面有机长链到达电极被成功探测以基于石墨烯为接触电极的二维钙钛矿场效应晶体管器件。二维钙钛矿和石墨烯像是一对形影相惜的好朋友，组合后的他们流光溢彩。通过对二维钙钛矿 ((C4H9NH3)2(CH3NH3)Pb4I13; n=4 RPP) 的开尔文探针显微镜, 光谱椭圆偏振和价带能谱的探测,构建出二维钙钛矿,石墨烯和金的对比能级图。有趣地, 石墨烯的费米能级略高于二维钙钛矿, 而金的费米能级却落在了二维钙钛矿费米能级的内部。这样一来, 当分别用石墨烯和金构建FET电极时, 石墨烯可以实现电子注入给钙钛矿, 在界面处展示出较小的肖特基势垒。相反地, 钙钛矿只能够失去电子给金电极。
要点2：首次报道二维钙钛矿厚度相关的扫描隧道显微镜 (STM on Graphene & Au substrates)文章首次展示了有机无机杂化的二维钙钛矿STM 原子形貌, 随着层数的减少, 薄层二维钙钛矿受基底张力影响, 表面对称性被逐渐打破。相比于金基底，二维钙钛矿在石墨烯基底总是表现出平滑规整的形貌。特别地, 通过扫描穿隧能谱分子层厚的二维钙钛矿在石墨烯基底上展示出最小的穿隧间隙。
通过石墨烯和金电极接触, 薄层二维钙钛矿的场效应晶体管被构建。二维钙钛矿在石墨烯电极上表现出 n-type 传输的优异性能, 相比较, 在金电极上却表现出p-type 传输。随着温度的增加, 器件性能在逐渐降低由于离子迁移作用。电子隧穿机理展示出direct tunneling 在低偏压到 Fowler-Nordheim (F-N) tunneling 在高偏压并且场效应晶体管栅压可调控。有趣地, 通过光照FET 输出曲线展示出非线性到线性转换，预示着减小的界面电阻。
图3. 使用G或Au作为电极的2D钙钛矿FET器件（n = 4）及其光电特性。通过飞秒激光泵浦探测, 超快电荷转移从石墨烯到二维钙钛矿发生在 50 飞秒量级。这和我们看到的石墨烯和二维钙钛矿的能级匹配相吻合。如此快速的电荷转换使光辅助量子隧道效应在石墨烯和二维钙钛矿的界面得以实现。
图4. 秒激光泵浦探测RPP/G异质结构动态光载流子注入。综上所述，二维钙钛矿和石墨烯的异质结相得益彰，为先进光电器件的发展拓宽了新思路。Leng, K., Wang, L., Shao, Y. et al. Electron tunneling at the molecularly thin 2D perovskite and graphene van der Waals interface. Nat Commun 11, 5483 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19331-6冷凯博士: 新加坡国立大学理学博士 (2019), 新加坡国立大学和剑桥大学博士后 (2019-2020), 香港理工大学应用物理系研究助理教授 (Oct, 2020 - now). 以第一作者 (或者共同一作)身份共发表文章9篇, 包括Nat. Rev. Mater. (1篇); Nat. Mater. (1篇); Nat. Commun. (2篇) 等。获 “Prof Lee Soo Ying Early Career Gold Award, Singapore(2020)”. (H-index of 22 with 3246 citations by Google Scholars).罗健平教授: 牛津大学博士 (1996), 日本国家材料科学研究所博士后(1996-1998), 新加坡国立大学杰出物理化学家, 曾任新加坡国立大学化学系系主任, 获得“新加坡总统科学与科技奖 (2014)”, 被评为Provosts’ Chair Professor. 迄今为止, 已经发表超过200 篇SCI 论文, 包括Nature, Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Energy, Nat. Photo., Nature Catal., Nature Chem., Nat. Commun. et al. 在学术活动方面, 罗教授担任美国化学协会杂志Chemistry of Materials副主编，英国物理所杂志Journal of 2D Materials的副主编, 杂志 Materials Horizon的科学编辑, Elservier 杂志 Diamond and Related Materials的编辑, 以及杂志Advanced Functional Materials国际顾问委员会成员。
