1.本发明属于有机-无机杂化钙钛矿有机场效应晶体管领域,更具体地，涉及透明钙钛矿薄膜晶体管的制备。
背景技术：2.近年来，有机-无机杂化钙钛矿作为可溶液处理的半导体材料，引起了广泛的关注。第一性原理理论计算表明，有机-无机杂化钙钛矿的体迁移率高达10-100cm2v-1
s-1
。其较高的载流子迁移率，较长的载流子扩散长度使其具有良好的光学性能和电学性能。同时，这种材料较高的吸收系数，可调的带隙，可低温溶液处理的特点，使其在光电器件领域有着广泛的应用前景。
3.mapbcl3是一种典型的有机-无机杂化钙钛矿，其具有较宽的带隙(2.9ev),不吸收可见光，呈现透明半导体的性质，在透明电子器件领域有很好的应用前景。然而，由于钙钛矿材料的离子屏蔽效应，常用的薄膜晶体管制备方法所制作晶体管在室温下很难能有效工作。此外，对于透明钙钛矿薄膜如mapbcl3薄膜，其带隙较宽，金-半接触势垒较大，使得电子无法有效注入到mapbcl3中传输，因此很难制备出常温下可以稳定工作的透明钙钛矿薄膜晶体管。尽管此前有关于mapbcl3的单晶晶体管的研究报道(us10749120b2)，但单晶器件无法大面积制备，应用价值有限。基于mapbcl3的薄膜晶体管，为非单晶器件，故可大面积制备，具有很高的应用价值，然而，目前尚未见有mapbcl3薄膜晶体管的相关报道。因此，开发在室温下可正常工作的透明的钙钛矿薄膜晶体管具有十分重要的科学意义和应用价值。
技术实现要素：4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种室温下可正常工作的透明钙钛矿薄膜晶体管及其制备方法。即通过在源、漏电极与透明钙钛矿薄膜间插入一层金属氧化物薄膜作为电子注入层以降低电子注入势垒，提升电子注入效率；同时采用铁电材料作为介电层以抑制透明钙钛矿薄膜的离子迁移引起的栅电压屏蔽效应；在此基础上制备的透明钙钛矿薄膜晶体管能在室温下工作，且稳定性佳。
5.本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
6.一种透明钙钛矿薄膜晶体管，其特征在于，包括透明衬底、源电极、漏电极、栅电极、插入层、半导体层，铁电介电层；所述插入层为透明金属氧化物，置于源、漏电极与半导体层之间；铁电介电层位于栅电极与半导体层之间；所述半导体层为透明钙钛矿薄膜。
7.进一步的，所述金属氧化物为二氧化锡，二氧化钛或氧化锌。
8.进一步的，所述铁电介电层为pvdf-trfe。
9.进一步的，所述钙钛矿为mapbcl3。
10.进一步的，所述铁电介电层厚度为400-600nm，太薄的话容易导致漏电，太厚的话电容小，影响器件的栅调控能力。
11.进一步的，所述插入层的厚度为5-10nm，太薄将导致插入层不连续，太厚将会影响
其上生长的钙钛矿薄膜质量。
12.上述技术方案具有如下技术效果：
13.(1)本发明提出了一种新的透明钙钛矿薄膜晶体管。由于钙钛矿材料的离子屏蔽效应，常用的薄膜晶体管制备方法所制作晶体管在室温下很难能有效工作，而本发明采用铁电介电层来抑制离子屏蔽效应，使得钙钛矿薄膜晶体管有可能在室温下正常工作。此外，对于透明钙钛矿薄膜如mapbcl3薄膜，其带隙较宽，金-半接触势垒较大，使得电子无法有效注入到mapbcl3中传输。因此，如果不采取额外措施，仅采用铁电介电层抑制离子屏蔽效应的mapbcl3薄膜晶体管也无法在室温下正常工作。而在衬底与半导体层之间采用金属氧化物形成插入层，该插入层能够有效降低电子注入势垒，提升电子注入效率，从而得到可室温工作，稳定性佳的mapbcl3薄膜晶体管。
14.(2)本发明所提供的透明钙钛矿薄膜晶体管其制备方法简单，插入层、透明钙钛矿层以及铁电介电层都可以通过旋涂相应溶液后退火烘干形成。在不需要使用真空设备等仪器的条件下，这种仅利用一台匀胶机就能实施的衬底处理方法更为简单，适用于大规模的商业化应用。
15.(3)本发明所提供的透明钙钛矿薄膜晶体管可大面积制备，因此可以在未来透明显示和透明电子领域具有很好的应用潜力，并且在光电探测领域也具有广阔的应用前景。
16.(4)本发明优选的金属氧化物水溶胶价格低廉且易制备，溶液法处理，易操作适用于大规模加工，从而有利于应用和推广到其他半导体器件领域。
附图说明
17.图1本发明实施例一中透明钙钛矿薄膜晶体管结构示意图；
18.图2本发明实施例一中透明钙钛矿薄膜晶体管性能输出曲线图；
19.图3本发明实施例一中透明钙钛矿薄膜晶体管性能转移曲线图。
具体实施方式
20.为了更加清楚的说明本发明的目的和优势，将以下实施例结合附图进一步详细说明本发明。以下所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用以限制本发明。
21.实施例一
22.本实施例以顶栅底接触晶体管为例，其他底栅顶接触、顶栅顶接触、顶栅底接触只要改变相应的电极的位置即可做出相应的晶体管。
23.参阅图1，一种透明钙钛矿的薄膜晶体管包括透明衬底(玻璃)、源电极(cr)、漏电极(cr)、栅电极(al)、插入层(sno2)、半导体层(mapbcl3)、铁电介电层(pvdf-trfe)；插入层厚度为10nm，铁电介电层厚度为400nm。
24.对透明mapbcl3薄膜晶体管电学测试，在室温下展现出晶体管输出和转移特性曲线，如附图2-3所示，由转移特性曲线和输出特性曲线可以看出晶体管可以在室温工作，栅压可以控制源漏电极之间的电流。
25.实施例二
26.相应的，本实施例提供了一种顶栅底接触电极的透明钙钛矿薄膜晶体管的制备方法，这一方法大体包括以下步骤：是以macl与pbac2为钙钛矿前驱液材料，pvdf-trfe为介电
层材料，制备透明钙钛矿薄膜晶体管，具体步骤如下：
27.步骤一：处理带有光刻电极的透明衬底；选择带有铬金电极的玻璃片作为衬底。首先清洗玻璃片，依次用去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗1min，清洗结束后用氩气枪吹干。然后将玻璃片转入臭氧处理装置，处理15min以改变玻璃片表面的浸润性。
28.步骤二：旋涂金属氧化物溶液，低温退火形成插入层；将15％浓度的二氧化锡水溶液按照体积比1：6用去离子水稀释，旋涂在经臭氧处理的衬底上，转速先为500rpm，时间为3s，然后紧接着转速升到3000rpm，时间为30s。旋涂结束后，立即将玻璃片放在热台上加热，加热温度为150℃，加热时间为30min。
29.步骤三：在插入层上旋涂三维钙钛矿溶液，低温退火形成三维钙钛矿薄膜。将步骤二中的衬底，转移到充满氩气的手套箱中，将macl与pbac2按照摩尔比3：1溶入dmso中，得到浓度为0.75m的液体，待其充分溶解，将前驱液以体积比4：1与dmf混合均匀，即可得到mapbcl3钙钛矿前驱液。将前驱液旋涂在衬底上，转速为4000rpm，时间为30s。旋涂结束后立即将衬底转移到热台上加热，加热温度为150℃，加热时间为2min。即可得到透明的mapbcl3薄膜。
30.步骤四：在三维钙钛矿薄膜上旋涂铁电溶液，低温退火形成铁电介电层。将70g/l的pvdf-trfe溶于乙酸正丁酯中得到铁电溶液，将pvdf-trfe溶液旋涂在钙钛矿薄膜上，转速先为500rpm，时间为3s，使其铺满整个钙钛矿薄膜，紧接着调高转速为4000rpm，时间为30s。旋涂结束后立即将玻璃旋涂后的衬底转移到热台上，加热温度为90℃，加热时间为1h。
31.步骤五：制备栅电极。将旋涂好插入层、钙钛矿层和铁电介电层的玻璃衬底转移到真空蒸镀机中，蒸镀铝(al)电极，电极厚度约为35nm，栅电极制备结束即可得到透明钙钛矿薄膜晶体管。
技术特征：1.一种透明钙钛矿薄膜晶体管，其特征在于，包括透明衬底、源电极、漏电极、栅电极、插入层、半导体层，铁电介电层；所述插入层为透明金属氧化物，置于源、漏电极与半导体层之间；铁电介电层位于栅电极与半导体层之间；所述半导体层为透明钙钛矿薄膜。2.根据权利要求1所述的一种透明钙钛矿薄膜晶体管，其特征在于，所述金属氧化物为二氧化锡，二氧化钛或氧化锌。3.根据权利要求1-2任一所述的一种透明钙钛矿薄膜晶体管，其特征在于，所述铁电介电层为pvdf-trfe。4.根据权利要求1-3任一所述的一种透明钙钛矿薄膜晶体管，其特征在于，所述钙钛矿为mapbcl3。5.根据权利要求1-4任一所述的一种透明钙钛矿薄膜晶体管，其特征在于，所述铁电介电层厚度为400-600nm。6.根据权利要求1-5任一所述的一种透明钙钛矿薄膜晶体管，其特征在于，所述插入层的厚度为5-10nm。
技术总结本发明公开了一种透明钙钛矿薄膜晶体管，其包括透明衬底、源电极、漏电极、栅电极、插入层、半导体层，铁电介电层；所述插入层为透明金属氧化物，置于源、漏电极与半导体层之间；铁电介电层位于栅电极与半导体层之间；所述半导体层为透明钙钛矿薄膜。通过在源、漏电极与透明钙钛矿薄膜间插入一层金属氧化物薄膜作为电子注入层以降低电子注入势垒，提升电子注入效率；同时采用铁电材料作为介电层以抑制透明钙钛矿薄膜的离子迁移引起的栅电压屏蔽效应；在此基础上制备的透明钙钛矿薄膜晶体管能在室温下工作，且稳定性佳。且稳定性佳。且稳定性佳。
技术研发人员：胡袁源 夏江南 仇鑫灿
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2022.04.12
技术公布日：2022/7/5
