La pérovskite permet une fabrication plus verte des transistors

Pérovskite : le matériau qui permet une fabrication plus verte des transistors

Atténuation des ions dans les FET à pérovskite. a) Un FET pérovskite conventionnel avec une architecture à contact inférieur à grille inférieure. Le S et le D désignent respectivement l’électrode de source et de drain. Les cations mobiles sont représentés par des signes « + » dans des cercles rouges, tandis que les signes « – » dans la couche de pérovskite représentent des contre-anions. b) Fonctionnement du dispositif du FET pérovskite à une tension de grille négative avec une tension de drain négative (la source est mise à la terre). c) Fonctionnement du FET pérovskite à une tension de grille négative élevée bien supérieure à la tension de claquage du diélectrique de grille. Les signes « + » désignent les porteurs de charge de trou. Notez que les cations et les trous sont tous deux accumulés sur l’isolant. d) Un FET de pérovskite avec une grille ferroélectrique auxiliaire au-dessus de la couche de pérovskite, et e) avec la polarisation ferroélectrique négative (direction vers le haut). f) Fonctionnement du dispositif avec la polarisation négative de la grille ferroélectrique auxiliaire aux faibles tensions de grille. Des cations mobiles sont accumulés à l’interface avec le ferroélectrique et des trous sont accumulés à l’interface avec l’isolant pour former un canal de transport de charge. Crédit : DOI : 10.1002/adma.202100486

Les physiciens ont trouvé un moyen de fabriquer des transistors en utilisant des matériaux hautement cotés pour leurs performances dans les cellules solaires et les diodes électroluminescentes (DEL) de nouvelle génération. Les chercheurs ont surmonté le problème de la teneur en ions du matériau interférant avec le flux de courant électronique à travers un transistor. Cette percée pourrait ouvrir la voie à la recherche de composants électroniques plus écologiques pour les appareils électroniques à faible coût.

Au cours de la dernière décennie, les pérovskites aux halogénures métalliques traitées en solution (un matériau hybride métal-organique) ont été au cœur de la recherche sur les cellules solaires et les LED à faible coût et à haut rendement. En raison de leur capacité à être traitées à des températures relativement basses, les pérovskites sont considérées comme une alternative plus écologique au silicium, non seulement pour la fabrication de cellules solaires mais aussi pour les transistors. Les transistors sont les éléments constitutifs d’un circuit intégré et le composant clé de nombreux appareils électroniques.

Les transistors fonctionnent à travers un système de grille : les électrons circulent entre une « source » et un « drain », et leur flux est contrôlé par un champ électrique appliqué à la « grille ». Dans un transistor, la présence d’ions interfère avec la circulation du courant électronique, rendant le transistor inutilisable. Les pérovskites aux halogénures métalliques sont riches en ions. Lorsqu’un champ électrique est appliqué à une pérovskite, ces ions répondent au champ électrique en se précipitant vers la grille et en s’y accumulant, bloquant ainsi le flux d’électrons entre la source et le drain.

Pour contrer cette interférence, les scientifiques ont passé la dernière décennie à chercher des moyens de contrecarrer les ions, en les manipulant pour minimiser leurs impacts négatifs sur le transistor pérovskite.

Des scientifiques de l’Université de Bath et de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères (MPIP) en Allemagne ont trouvé une solution au problème de la pérovskite, permettant au matériau de fonctionner comme un transistor à température ambiante. Le dispositif a été « piégé » en ignorant la teneur en ions du matériau en détournant ces espèces chargées électriquement de la grille vers une autre partie du transistor, où elles ne peuvent pas interférer avec le flux de courant.

« Jusqu’à présent, la présence d’ions dans les pérovskites a rendu difficile l’utilisation des pérovskites dans les transistors. Nous avons vu cela comme une honte car les pérovskites sont des matériaux semi-conducteurs très prometteurs », a déclaré le chercheur principal, le professeur Kamal Asadi du département de physique de l’Université de Une baignoire.

Il a ajouté : « À température ambiante, les ions de la pérovskite sont assez mobiles. Les gens ont eu recours à la réduction de la température pour faire fonctionner les transistors de la pérovskite car à basse température, les ions sont moins mobiles. Mais dans les applications réelles, cela signifierait que notre Les gadgets à base de pérovskite ne fonctionneraient de manière fiable que dans le réfrigérateur ou en Antarctique. »

« Nous avons examiné le problème sous un angle différent. Nous avons modifié la construction des transistors au lieu de modifier le matériau, ce qui a donné un transistor avec une grille auxiliaire supplémentaire. Les ions sont ensuite poussés vers la grille auxiliaire et fixés en position. Ensuite, lorsque vous appliquez un champ électrique de grille, les électrons voient maintenant le champ de grille, y réagissent et un flux d’électrons entre la source et le drain s’établit. »

La grille auxiliaire a été créée en déposant une couche ferroélectrique sur le transistor. Les ferroélectriques (matériaux diélectriques qui présentent une polarisation stable lorsque le champ électrique externe est désactivé) peuvent induire une charge de surface importante qui attire les ions et les maintient en position, libérant ainsi la porte pour le flux d’électrons. L’équipe de Bath est la première à utiliser le concept de ferroélectricité pour atténuer le transport d’ions.

« Pousser les ions loin du canal de transport ne peut être obtenu qu’avec des matériaux de grille auxiliaires pouvant induire des charges de surface importantes, telles que des ferroélectriques ou des électrolytes », a expliqué le premier auteur de l’article, le Dr Beomjin Jeong, de l’Institut Max Planck pour Recherche sur les polymères. « Nous avons choisi les polymères ferroélectriques en raison de leur compatibilité et de leur facilité de traitement au-dessus de la couche de pérovskite. »

Les scientifiques impliqués dans ce projet prévoient un intérêt généralisé pour la plate-forme qu’ils ont développée, d’autres chercheurs élargissant la recherche de matériaux à haute densité de charge de surface pouvant être associés à de la pérovskite. Un bon degré de contrôle du nombre d’ions dans le canal du transistor obtenu par une couche ferroélectrique est susceptible d’être bénéfique pour d’autres applications où un contrôle simultané des ions et des électrons est nécessaire.

« Room-temperature halide perovskite field-effect transistors by ion transport mitigation » est publié dans Matériaux avancés.


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Plus d’information:
Beomjin Jeong et al, Transistors à effet de champ pérovskite aux halogénures à température ambiante par atténuation du transport ionique, Matériaux avancés (2021). DOI : 10.1002/adma.202100486

Fourni par l’Université de Bath

Citation: Perovskite permet une fabrication plus verte de transistors (2021, 19 août) récupéré le 19 août 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-08-perovskite-greener-fabrication-transistors.html

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