Authors:	Wang, Shuanglong
Advisor:	Blom, Paul
Title:	Charge carrier transport in two-dimensional tin halide perovskite field-effect transistors
Online publication date:	12-Sep-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Metal halide perovskites as new-generation semiconducting materials have gained huge attention in the field of high-performance solar cells, light-emitting diodes, and detectors, because of their excellent properties such as large light absorption coefficient, high charge mobility, tunable bandgap, and cost-effective solution processability. Field-effect transistors (FETs) provide an ideal platform to investigate the reliable long-range charge carrier transport properties of perovskite semiconductors including the influence of interfaces and morphology. Nevertheless, the mixed ionic-electronic nature of metal halide perovskites makes their performance in transistors complex in nature, with many challenges being still open. One aspect of the problem is the severe ion migration due to the presence of loosely bound constituent ions in these ionic materials, which are known to screen the electric field in perovskite FET devices, leading to low device mobility and large dual-sweep hysteresis. The focus of this dissertation is on the systematic investigation of the charge carrier transport properties of two-dimensional (2D) layered tin halide perovskite in FETs. 2D layered tin halide perovskites are promising active channel materials for FET applications since bulky organic cations can effectively inhibit the ion migration. To understanding the correlation between chemical structure of organic spacer cations, grain size, thin film morphology, molecular organization, ion migration and charge carrier transport in 2D tin halide perovskite, different approaches, including grain engineering, additive modification, and spacer cation tuning have been employed in FETs. Combined with experimental characterization and simulation, it is revealed that reducing the number of grain boundaries and suppressing tin oxidation are effective methods to boost the charge carrier transport and minimize the ionic defects, leading to the overall improved electrical parameters of FET devices. A subtle change in molecular structure of organic cations has a significant impact on the molecular organization, phases and film morphology, which in turn, govern charge transport properties in 2D tin halide perovskite FETs. Metall-Halogenid Perowskite als Halbleitermaterial der neuen Generation haben aufgrund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften wie einem großen Absorptionskoeffizienten für Licht, hoher Ladungsbeweglichkeit, einstellbarer Bandlücke und kostengünstiger Lösungsverarbeitbarkeit enormes Interesse im Bereich von leistungsstarken Solarzellen, Leuchtdioden und Detektoren gewonnen. Feldeffekttransistoren (FETs) bieten eine ideale Plattform, um die Zuverlässigkeit und Eigenschaften des Ladungsträgertransports über große Distanzen in Perowskit-Halbleitern zu untersuchen, einschließlich des Einflusses von Grenzflächen und Morphologie. Die gemischte ionisch-elektronische Natur von Metall-Halogenid Perowskiten macht ihre Wirkungsweise in Transistoren jedoch komplex, und viele Herausforderungen sind noch offen. Ein Aspekt des Problems ist die Ionendiffusion aufgrund der Anwesenheit locker gebundener ionische Bestandteile in diesen ionischen Materialien, die bekanntermaßen das elektrische Feld in Perowskit-FETs abschirmen und zu geringer Ladungsträgerbeweglichkeit und großem Hysterese führen. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der systematischen Untersuchung der Ladungsträgertransporteigenschaften von zweidimensionalen (2D) geschichteten Zinnhalogenid-Perowskiten in FETs. 2D geschichtete Zinnhalogenid-Perowskite sind vielversprechende Materialien für den aktiven Kanal in FET-Anwendungen, da sperrige organische Kationen die Ionendiffusion effektiv hemmen können. Um den Zusammenhang zwischen der chemischen Struktur der organischen Kationen, der Korngröße, der Dünnschichtmorphologie, der molekularen Organisation, der Ionendiffusion und dem Ladungsträgertransport in 2D Zinnhalogenid-Perowskiten zu verstehen, wurden verschiedene Ansätze, einschließlich Korngrößen-Modifikation, Zusatzstoffmodifikation und Kationenanpassung, in FETs eingesetzt. In Kombination mit experimenteller Charakterisierung und Simulation wurde gezeigt, dass die Reduzierung der Anzahl von Korngrenzen und die Unterdrückung der Zinnoxidation effektive Methoden sind, um den Ladungsträgertransport zu cc VII steigern und die ionischen Defekte zu minimieren, was zu verbesserten elektrischen Parametern der FETs führt. Gleichzeitig hat eine subtile Veränderung der molekularen Struktur des organischen Kations einen signifikanten Einfluss auf die molekulare Organisation, Phasen und sowie die Oberflächenmorphologie, die wiederum die Ladungsträgereigenschaften in 2D Zinnhalogenid-Perowskit-FETs bestimmen.
DDC:	530 Physik 530 Physics 540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9485
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-17846edb-6155-4021-9f71-4168919c90e75
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent:	139 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen