物理學(xué)家已經(jīng)找到了一種方法，可以使用在下一代太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管(LED)中的性能得到高度評(píng)價(jià)的材料制造晶體管。研究人員已經(jīng)克服了材料的離子含量干擾電子電流通過(guò)晶體管的問(wèn)題。這一突破可能為研究用于低成本電子設(shè)備的綠色電子元件鋪平道路。

在過(guò)去的十年中，溶液處理的金屬鹵化物鈣鈦礦（一種混合金屬有機(jī)材料）一直是低成本、高效率太陽(yáng)能電池和LED研究的主要焦點(diǎn)。由于它們能夠在相對(duì)較低的溫度下加工，鈣鈦礦被認(rèn)為是硅的更環(huán)保的替代品，不僅用于制造太陽(yáng)能電池，還用于晶體管。晶體管是集成電路的組成部分，也是許多電子設(shè)備中的關(guān)鍵部件。

晶體管通過(guò)柵極系統(tǒng)工作：電子在“源極”和“漏極”之間流動(dòng)，它們的流動(dòng)由施加到“柵極”的電場(chǎng)控制。在晶體管中，離子的存在會(huì)干擾電流的流動(dòng)，使晶體管無(wú)法工作。金屬鹵化物鈣鈦礦富含離子。當(dāng)對(duì)鈣鈦礦施加電場(chǎng)時(shí)，這些離子通過(guò)沖向柵極并在那里積聚來(lái)響應(yīng)電場(chǎng)，從而有效地阻止了源極和漏極之間的電子流動(dòng)。

為了對(duì)抗這種干擾，科學(xué)家們?cè)谶^(guò)去十年中一直在尋找阻止離子的方法，操縱它們以盡量減少它們對(duì)鈣鈦礦晶體管的不利影響。

巴斯大學(xué)和德國(guó)馬克斯普朗克聚合物研究所(MPIP)的科學(xué)家們找到了解決鈣鈦礦問(wèn)題的方法，使材料能夠在室溫下作為晶體管工作。通過(guò)將這些帶電物質(zhì)從柵極分流到晶體管的不同部分，該設(shè)備已被“欺騙”而忽略了材料的離子含量，在那里它們不會(huì)干擾電流的流動(dòng)。

“直到現(xiàn)在，鈣鈦礦中離子的存在使得鈣鈦礦在晶體管中的使用具有挑戰(zhàn)性。我們認(rèn)為這是一種恥辱，因?yàn)殁}鈦礦是非常有前途的半導(dǎo)體材料。”首席研究員KamalAsadi教授說(shuō)。

他補(bǔ)充道，在室溫下，鈣鈦礦的離子具有很強(qiáng)的移動(dòng)性。人們已經(jīng)采取降低溫度來(lái)使鈣鈦礦晶體管工作，因?yàn)樵诘蜏叵拢x子的移動(dòng)性較差。但在實(shí)際應(yīng)用中，這意味著我們的基于鈣鈦礦的小工具只能在冰箱或南極洲可靠地運(yùn)行。

我們從不同的角度看待這個(gè)問(wèn)題。我們修改了晶體管的結(jié)構(gòu)而不是修改材料，從而產(chǎn)生了一個(gè)帶有額外輔助柵極的晶體管。然后將離子推到輔助柵極并固定到位。然后，當(dāng)您施加?xùn)艠O電場(chǎng)時(shí)，電子現(xiàn)在會(huì)看到柵極電場(chǎng)，并對(duì)其做出反應(yīng)，并在源極和漏極之間建立電子流。

通過(guò)在晶體管上沉積鐵電層來(lái)創(chuàng)建輔助柵極。鐵電體（當(dāng)外部電場(chǎng)關(guān)閉時(shí)表現(xiàn)出穩(wěn)定極化的介電材料）可以產(chǎn)生大量的表面電荷，吸引離子并將它們固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫瑥亩尫烹娮恿鞯拈T。Bath團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)使用鐵電概念來(lái)減輕離子傳輸?shù)膱F(tuán)隊(duì)。

該論文的第一作者、馬克斯普朗克研究所的BeomjinJeong博士解釋說(shuō)：將離子推離傳輸通道只能通過(guò)能夠誘導(dǎo)大表面電荷的輔助柵極材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如鐵電體或電解質(zhì)，我們選擇了鐵電聚合物，因?yàn)樗鼈兊募嫒菪院驮谶^(guò)氧化物層上面的易加工性。

參與該項(xiàng)目的科學(xué)家們預(yù)計(jì)他們開(kāi)發(fā)的平臺(tái)將會(huì)受到廣泛關(guān)注，其他研究人員將擴(kuò)大對(duì)可與鈣鈦礦配對(duì)的具有高表面電荷密度的材料的尋找。對(duì)由鐵電層獲得的晶體管通道中離子數(shù)量的良好控制可能有利于需要同時(shí)控制離子和電子的其他應(yīng)用。