تمكين أبحاث بيروفسكايت FET عالية الإنتاجية من خلال محطة قياس FET آلية قابلة للتخصيص

Claas Wieland; Giovanni Ligorio; Emil List-Kratochvil

doi:10.3791/68573

مقالة منهجية

تمكين أبحاث بيروفسكايت FET عالية الإنتاجية من خلال محطة قياس FET آلية قابلة للتخصيص

DOI:

10.3791/68573

⸱

سبتمبر 19, 2025

Claas Wieland¹ , Giovanni Ligorio¹^,² , Emil List-Kratochvil¹^,²^,³

¹Institut für Physik, Institut für Chemie, Humboldt-Universität zu Berlin, ²Center for the Science of Materials Berlin, ³Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقدم هذا البروتوكول عملية عالية الإنتاجية لتصنيع وتوصيف ترانزستورات تأثير مجال الأغشية الرقيقة البيروفسكايت. نصف عملية تصنيع قابلة للتخصيص باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية ونقدم إجراء توصيف آلي يجمع بين معدد الإرسال ولوحات القياس المخصصة والبرامج المكتوبة ذاتيا.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لم تحقق ترانزستورات تأثير المجال الرقيقة القائمة على البيروفسكايت (PeFETs) الإمكانات النظرية الكاملة لهذه الفئة الواعدة من المواد. لسد هذه الفجوة ، من الضروري تطوير وتحسين تركيبات البيروفسكايت الجديدة وتقنيات التصنيع. نظرا للتنوع الكبير في المركبات المحتملة بالإضافة إلى تعدد المتغيرات المؤثرة مثل التركيز ودرجة الحرارة واختيار المذيب ، فإن نهج البحث عالي الإنتاجية أمر بالغ الأهمية للاستكشاف والتقدم بكفاءة. نحن نقدم عملية مرنة وقابلة للتخصيص تمتد من تصنيع الركيزة إلى توصيف الجهاز. يتم تمكين هذه العملية من خلال الطباعة الحجرية الضوئية ودمجها للزخرفة المخصصة ، ومحطة قياس آلية لتوصيف FET ، وتحليل البيانات الآلي. تعتمد محطة القياس الآلي على مضاعف متصل بخمس لوحات قياس. تم تكوين لوحات القياس لقياس ركيزة واحدة بأربعة أجهزة لكل منها. السماح بالقياس الآلي ل 20 جهازا مع ما يصل إلى 5 تركيبات مختلفة من البيروفسكايت. باستخدام إجراءات الاختبار الموحدة ، يتم تحليل البيانات الأولية تلقائيا للحصول على خصائص النقل والإخراج ل PeFETs بالإضافة إلى معلمات الأداء الرئيسية مثل جهد العتبة ، وتأرجح العتبة الفرعية ، وتنقل تأثير المجال. والنتيجة هي مجموعة بيانات منظمة بشكل منهجي مع بيانات يمكن مقارنتها بسهولة لتركيبات البيروفسكايت المختلفة أو التعديلات في ظروف التصنيع.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

شهد مجال الأجهزة الإلكترونية الضوئية القائمة على هاليد المعدن (MHP) تقدما مذهلا على مدار العقدين الماضيين. أدى الدمج الناجح بشكل خاص في الخلايا الكهروضوئية والثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) إلى اهتمام متزايد باستمرار بهذه الفئة المادية. زادت كفاءة تحويل الطاقة للخلايا الشمسية القائمة على MHP بسرعة من 13.9٪ في عام 2013 إلى 26.7٪ في عام 2024¹^،²^،³^،⁴^،⁵^،⁶. تجاوزت مصابيح LED المستندة إلى MHP كفاءة كمية خارجية تبلغ 20٪ على نطاق واسع من الطيف المرئي ، باستخدام قدرة فجوة النطاق القابلة للضبط بدقة ، مما يتيح أيضا مصابيح LED مزدوجة اللون⁷^،⁸^،⁹. تظهر هذه التطورات المثيرة للإعجاب قدرات MHPs للأجهزة الإلكترونية الضوئية.

ومع ذلك ، فإن التقدم في مجال ترانزستورات تأثير المجال الرقيقة القائمة على MHP (PeFETs) لم يشهد بعد نفس النجاح في التطوير. على الرغم من حقيقة أن الخصائص النظرية ل MHPs يجب أن تجعلها خيارا واعدا ل FETs ، مع تنقلات حاملة الشحنة النظرية التي تزيد عن 1000 سم² ^V-1 ^s-1 ونقل ناقل متوازن بعيد المدى¹⁰^،¹¹^،¹². ومع ذلك ، فقد وصلت الأجهزة ذات الأداء الأعلى في العالم الحقيقي إلى تنقلات ناقل الشحن التي تصل إلى 55 سم² ^V-1 ^s-1 ، وهو بالفعل إنجاز مثير للإعجاب ، لكنه يظهر أنه لا يزال هناك مجال كبير للتحسين¹³.

تم تحقيق الأداء المتزايد ل PeFETs على مدى السنوات القليلة الماضية من خلال تحسين بنية الجهاز وخصائص الواجهة وتكوين MHP¹³^،¹⁴^،¹⁵^،¹⁶. علاوة على ذلك ، أظهرت إضافة مجموعة متنوعة من المواد المضافة مثل SnF₂ أو SbF₃ أو الهاليدات الكاذبة نتائج واعدة¹⁷^،¹⁸^،¹⁹^،²⁰. يؤدي الجمع بين العدد الكبير من سلائف البيروفسكايت المحتملة مع العدد المتزايد من الإضافات المثيرة للاهتمام إلى عدد كبير جدا من تركيبات البيروفسكايت المحتملة. مع الأخذ في الاعتبار مجموعة متنوعة من المتغيرات التجريبية ، مثل التركيز والمذيب ودرجة الحرارة ، فإن طريقة الإنتاجية العالية ضرورية في البحث عن PEFETs عالية الأداء.

نقدم عملية تصنيع قابلة للتطوير وقابلة للتخصيص لركائز الترانزستور التي تعتمد على الطباعة الحجرية الضوئية. تعتمد معظم معماريات PeFET المستخدمة على طبقة واحدة على الأقل من طبقات التلامس على نظام قناع الظل¹⁷^،¹⁸^،¹⁹^،²⁰^،²¹. على الرغم من كونها سهلة الاستخدام وفعالة للغاية من حيث الوقت ، إلا أن أقنعة الظل لها حواف ناعمة نسبيا وتتآكل بمرور الوقت. علاوة على ذلك ، فإن النمط محدد مسبقا ولا يمكن تكييفه مع المتطلبات المتغيرة. على النقيض من ذلك ، يحتوي الطباعة الحجرية الضوئية على أنماط وحواف محددة بشكل حاد للغاية لأن مقاومة الضوء يتم تطبيقها مباشرة على سطح الركيزة. باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية بدون قناع ، يمكن تغيير النمط لكل تعرض إذا لزم الأمر ، مما يتيح التعديلات من دفعة إلى دفعة أو حتى من الركيزة إلى الركيزة. نظرا لأن التعرض للركائز الفردية ممل ويستغرق وقتا طويلا ، تتم معالجة الركيزة الزجاجية مقاس 5 سم × 5 سم كوحدة واحدة حتى النقطة التي يتم فيها الانتهاء من جميع الأقطاب الكهربائية ثم يتم تقسيمها إلى ركائز 25 1 سم × 1 سم ، مما يقلل بشكل كبير من وقت التصنيع من 16 ساعة إلى 4 ساعات. من الممكن أيضا استخدام ركيزة زجاجية أكبر ، مما سيزيد من عدد الركائز لكل دفعة ويزيد من العملية.

للاستفادة من الزيادة في سرعة التصنيع ، من الضروري أيضا أن يكون لديك عملية توصيف يمكن أن تعمل بشكل موثوق مع عدد كبير من الأجهزة. نقدم إعداد قياس يجمع بين معدد الإرسال ولوحات القياس ذاتية الصنع ، والتي يمكن التحكم فيها مباشرة من برنامج التحكم في محلل المعلمات (الشكل 1). يتيح هذا الإعداد القياس التلقائي ل 5 ركائز مع 4 أجهزة لكل منها. بعد القياس ، يتم تقييم البيانات الناتجة تلقائيا بواسطة برنامج نصي مكتوب ذاتيا (الملف التكميلي 1) ، والذي يحسب معلمات الأداء الرئيسية ل PeFETs ويحفظها في مجموعة بيانات ، مما يجعل من السهل مقارنة النتائج ورؤية الاتجاهات طويلة المدى.

يتيح الجمع بين عملية التصنيع الأسرع وإجراء التوصيف الآلي عملية موثوقة وقابلة للتطوير وعالية الإنتاجية تتسم أيضا بالمرونة والتخصيص ، مما يجعلها أداة قوية في البحث عن تركيبات MHP جديدة.

figure-introduction-1
الشكل 1: التخطيطي التجريبي لعملية بحث PeFET عالية الإنتاجية المقدمة. (1) تصنيع الركيزة على ركيزة واحدة كبيرة. (2) معالجة الركيزة المفردة عن طريق تطبيق البيروفسكايت. (3) القياس الآلي وتحليل البيانات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم سرد تفاصيل الكواشف والمعدات المستخدمة في هذه الدراسة في جدول المواد.

1. الطباعة الحجرية الضوئية

تنظيف الركيزة
1. خذ ركيزة زجاجية مقاس 50 مم × 50 مم وقم بصوتنة لمدة 10 دقائق في الأيزوبروبانول (IPA) ، متبوعا بالتجفيف بمسدس النيتروجين. كرر مع الأسيتون.
2. بعد التجفيف ، ضع الركيزة في بلازما أكسجين منخفضة الضغط (5 دقائق ، 20 سم مكعب ، 0.35 ملي بار ، 150 واط).
  ملاحظة: هذا الإجراء هو إجراء التنظيف القياسي ومن المفترض أن يتكرر عندما يقول النص التالي ركائز نظيفة.
الطباعة الحجرية للبوابة
1. ضع الركيزة التي تم تنظيفها على طبقة طلاء دوارة وماصة مقاومة للضوء 600 ميكرولتر في منتصف الركيزة. ابدأ تشغيل آلة طلاء الدوران (60 ثانية ، 4000 دورة في الدقيقة ، 2000 acc ، 3.5 ميكرومتر).
2. انقل الركيزة إلى لوح ساخن مسخن مسبقا للخبز قبل التعرض (60 ثانية ، 110 درجة مئوية). بعد التبريد ، انقل الركيزة إلى آلة الطباعة الحجرية الضوئية بدون قناع للتعرض (15 ميجاوات ، 75٪ ، 1 × 1).
3. ضع الركيزة المكشوفة بالكامل على لوح تسخين مسخن مسبقا للخبز بعد التعرض (70 ثانية ، 110 درجة مئوية).
4. قم بتطوير مقاومة الضوء في المطور لمدة 90 ثانية ، واشطفها بالماء ، وجففها بمسدس النيتروجين.
تبخر بوابة النحاس
1. انقل الركيزة إلى بلازما أكسجين منخفضة الضغط (5 دقائق ، 20 سم مكعب ، 0.35 ملي بار ، 150 واط).
2. ضع الركيزة في غرفة التبخر. أولا ، تبخر 5 نانومتر Cr ، متبوعا ب 50 نانومتر Cu. أخرج الركيزة من غرفة التبخر ، واغمرها في المزيل وصوتنية لمدة 30 دقيقة عند 50 درجة مئوية.
ترسيب الطبقة الذرية (ALD) من Al₂O₃
1. نظف الركيزة. انقل الركيزة إلى آلة ALD. قم بتشغيل وصفة Al₂O₃لمدة 800 دورة ، مما ينتج عنه طبقة 100 نانومتر من Al₂O₃.
  ملاحظة: تتكون الدورة الواحدة من ثلاثي ميثيل الألومنيوم بمعدل 35 مللي ثانية متبوعا بنبضة H₂O بمعدل 250 مللي ثانية. درجة حرارة الغرفة لأول 25 دورة هي 100 درجة مئوية ، وللدورات ال 775 التالية ، 200 درجة مئوية.
الطباعة الحجرية المصدر / التصريف
1. نظف الركيزة. ضع مقاومة الضوء على الركيزة كما هو موضح في الخطوة 1.2.
2. قم بمحاذاة الركيزة مع العلامات من طبقة الطباعة الحجرية الأولى في آلة الطباعة الحجرية الضوئية قبل التعرض. كشف وخبز ما بعد التعرض والتطوير باتباع الخطوة 1.2.
المصدر / استنزاف التبخر Au
1. انقل الركيزة إلى بلازما أكسجين منخفضة الضغط (5 دقائق ، 20 سم مكعب ، 0.35 ملي بار ، 150 واط). ضع الركيزة في غرفة التبخر. أولا ، تبخر 5 نانومتر Cr ، متبوعا ب 50 نانومتر Au.
2. قم بإزالة الركيزة من غرفة التبخر ، واغمرها في متجرد مقاوم للضوء ، وصوت لمدة 30 دقيقة عند 50 درجة مئوية.
تقطيع الركيزة
1. نظف الركيزة. قم بتطبيق مقاوم للضوء باستخدام طلاء الدوران (60 ثانية ، 4000 دورة في الدقيقة ، 2000 acc ، 3.5 ميكرومتر). ضع الركيزة على لوح ساخن (5 دقائق ، 110 درجة مئوية).
2. انقل الركيزة إلى منشار الرقاقة وقم بتقطيعه إلى ركائز مقاس 10 مم × 10 مم. قم بإزالة مقاومة الضوء عن طريق الصوتنة لمدة 30 دقيقة عند 50 درجة مئوية في المزيل (الشكل 2).

figure-protocol-1
الشكل 2: تمثيل تخطيطي لعملية تصنيع الركيزة 5 سم × 5 سم. يتضمن ذلك خطوات الطباعة الحجرية اللاحقة للصور ، متبوعة بالتقطيع إلى ركائز 1 سم × 1 سم (A). صور لركائز الترانزستور النهائية التي تحتوي على 4 أجهزة مع وبدون طبقة بيروفسكايت وركيزة مكثف (B). يتم تصنيع ركيزة مكثف واحدة لكل دفعة لقياس ثابت العزل الكهربائي لطبقة Al₂O₃ . الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. تدور طلاء طبقة البيروفسكايت

ملاحظة: من الآن فصاعدا ، يتم تنفيذ جميع الخطوات التالية في صندوق القفازات بسبب حساسية الهواء لطبقة البيروفسكايت.

تحضير الحل
1. تحضير محلول السلائف قبل يوم واحد من طلاء الدوران.
2. تزن 150 مجم SnI₂ وتذوب في 1398 ميكرولتر DMF. يزن 125 مجم CsI ويذوب في 1203 ميكرولتر من محلول SnI₂ . تزن 15 مجم PbI₂وتذوب في 1017 ميكرولتر من محلول CsSnI₃ ، مما ينتج عنه محلول 0.4 M من Cs (Sn_0.9Pb_0.1) I₃ مع فائض Cs بالنسبة إلى Sn + Pb من 1.25: 1. تزن 6 مجم من SnF₂ وتذوب في 1000 ميكرولتر DMF.
3. رج المحاليل المحضرة على حرارة 60 درجة مئوية طوال الليل.
طلاء تدور
1. أضف 765 ميكرولتر من محلول SnF₂ المحضر إلى محلول 1017 ميكرولتر Cs (Sn_0.9Pb_0.1) I₃ قبل طلاء الدوران مباشرة. ضع الركيزة في المغطي الدوراني.
2. ماصة 20 ميكرولتر من محلول السلائف المحضر في منتصف الركيزة. ابدأ تشغيل آلة طلاء الدوران (150 ثانية ، 4000 دورة في الدقيقة ، 1000 acc ، 40 نانومتر). صلب الركائز المطلية بالدوران لمدة 5 دقائق عند 120 درجة مئوية.
فصل الأجهزة
1. يوجد على كل ركيزة أربعة أجهزة يجب فصلها لمنع التفاعل المتبادل. خذ عصا قطنية ، واغمسها في DMF وخذ ركيزة من الصفيحة الساخنة.
2. ارسم بعصا القطن على الركيزة التي لا تزال ساخنة حول الأجهزة الفردية وافصل طبقة البيروفسكايت. قم بإزالة طبقة البيروفسكايت من جميع وسادات التلامس بنفس الطريقة.

3. التوصيف

إعداد الأجهزة
1. ضع الركيزة رأسا على عقب في لوحة القياس وتأكد من محاذاة وسادات التلامس للأجهزة الصحيحة مع المسامير المقابلة على لوحة القياس (الشكل 3).
2. قم بتوصيل لوحة القياس بمضاعف. قم بتوصيل معدد الإرسال ب SMU الخاص بمحلل المعلمات عبر كبلين متحدي المحور ، أحدهما لملامس البوابة والآخر لملامسات المصدر / التصريف ، والتي تربط المصدر ب SMU والصرف بالأرض.
إعداد البرنامج
1. تأكد من توصيل جميع الكابلات بالطريقة الصحيحة. قم بتشغيل محلل المعلمات وابدأ تشغيل برنامج التحكم كمسؤول.
2. قم بتكوين القياس من خلال تحديد عدد لوحات القياس المتصلة بمضاعف الإرسال وتحميلها بركيزة. حدد الأسماء/المعرفات للركائز وعدد الأجهزة التي من المفترض أن يتم توصيفها.
3. قم بتكوين الصرف لجميع القياسات كأرضية مشتركة. لقياسات النقل ، قم بتكوين اكتساح خطي للجهد عند البوابة يتراوح من 25 فولت إلى -30 فولت ، بخطوة جهد -0.1 فولت. قم بتكوين المصدر على أنه انحياز ثابت بجهد 1 فولت و 10 فولت و 30 فولت ، على التوالي.
4. بالنسبة لقياسات الإخراج ، قم بتكوين خطوات الجهد عند البوابة التي تتراوح من -30 فولت إلى 10 فولت ، بحجم خطوة 10 فولت.
5. قم بتكوين مسح خطي للجهد عند المصدر يتراوح من 0 فولت إلى -30 فولت ، بحجم خطوة 0.5 فولت. قبل بدء القياس ، اضبط نطاق تيار المصدر والبوابة على تلقائي محدود بحد أقصى 1 نانوأمبير.
قياس
1. اضغط على تشغيل على واجهة البرنامج ، وسيبدأ القياس. يقوم معدد الإرسال بالتبديل عبر الأجهزة المحددة مسبقا ، ويقوم محلل المعلمات بإجراء الاختبارات التي تم تكوينها.
  ملاحظة: عند انتهاء القياس ، يمكن مراجعة البيانات مباشرة في برنامج التحكم الخاص بمحلل المعلمات ويمكن تصديرها كملفات xlsx.
تصدير البيانات
1. تصدير بيانات القياس كملفات xlsx. يجب أن يحتوي اسم الملف على رقم الدفعة بالإضافة إلى أرقام الركيزة وتحيز استنزاف المصدر لقياسات النقل.
  ملاحظة: على سبيل المثال، إذا تم قياس الركائز من 1 إلى 5 من الدفعة الأولى، تسمية ملف بيانات الإخراج باسم "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Output.xlsx". هذا يعني أنه تم وضع الركيزة 1 في لوحة القياس الأولى ، والركيزة 2 في لوحة القياس الثانية ، وهكذا. يسمى ملف بيانات النقل المقابل "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Transfer_10V.xlsx" ، إذا تم قياس النقل عند انحياز استنزاف المصدر 10 فولت. يوجد أيضا ملف سجل في مستكشف الملفات ، يحتوي على معلومات حول البيانات التي تتوافق مع الجهاز.

figure-protocol-2
الشكل 3: نموذج ثلاثي الأبعاد لإعداد لوحة القياس. (أ) تصور وضع ركيزة في لوحة القياس. (ب) مصفوفة الدبوس على لوحة القياس مع وبدون ركيزة محملة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. تحليل البيانات

تحليل البيانات الآلي
1. انقل ملف بيانات xlsx وملف السجل إلى الكمبيوتر المطلوب وضع الملفات في مجلد "البيانات". قم بتشغيل البرنامج النصي Python Auto_Data_analysis.py (الملف التكميلي 1).
  ملاحظة: يطلب البرنامج النصي معرفات الركائز وما إذا كان قد تم أخذ قياسات نقل متعددة بجهد مصدر / صرف مختلف. إذا تم أخذ قياسات نقل متعددة ، يطلب البرنامج النصي قيم جهد المصدر / التصريف. بعد إدخال جميع المعلومات الضرورية ، يمر البرنامج النصي عبر البيانات وينشئ مجلدا باسم "المؤامس". أدخل مجلد "المؤامرات" ، الذي يحتوي على مجلدين ، "قصير" و "يعمل". يحتوي المجلد "قصير" على مخططات الأجهزة التي لم تعمل بشكل صحيح ، ويحتوي مجلد "Working" على مخططات أجهزة العمل. أدخل مجلد "العمل" ، يوجد بداخله ملفات PNG التي تمت تسميتها على اسم الأجهزة المقابلة وتعرض نظرة عامة على جميع مخططات الإخراج والنقل ، بالإضافة إلى تكوين القياس ومعلمات الأداء المحسوبة.
تجمع البيانات
1. تأكد من أن البرنامج النصي Python ينشئ أيضا ملفا نصيا واحدا لكل دفعة وملفا نصيا مدمجا لجميع الأجهزة ، والذي يحتوي على بيانات وصفية مثل المتغيرات التجريبية ومعلمات الأداء ، ويمكن استخدامه لتحليل البيانات باستخدام أي برنامج منفصل لتحليل البيانات.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

للتحقق من صحة طريقة التصنيع للبوابة السفلية وركائز التلامس السفلية والتأكد من أن كومة الهندسة المعمارية بالكامل تعمل بشكل صحيح بعد خطوات الطباعة الحجرية اللاحقة وتقطيع الركيزة الزجاجية الكبيرة ، تخضع جميع الأجهزة لمراقبة الجودة. بعد التقطيع وقبل تطبيق طبقة البيروفسكايت ، يتم وضع جميع ركائز الدفعة في إعداد القياس. بين جهات اتصال المصدر والتصريف ، يتم تطبيق 10 فولت ، ويتم مسح البوابة من -40 فولت إلى 30 فولت. يتم اختيار نطاق الاختبار وفقا لنطاق الاهتمام ل PeFET التي سيتم استخدام الركائز من أجلها. يتم تسجيل وتقييم الحد الأقصى للتيار الذي يتم قياسه عند ملامسة البوابة. يعتبر أي جهاز بحد أقصى لتيار البوابة أقل من 1 × ^10-7 أمبير جيدا في ظل ظروف الاختبار هذه. يوضح الشكل 4 مثالا على مراقبة الجودة هذه. 6 فقط من أصل 96 جهازا يفشل في مراقبة الجودة ، مع 2 من 6 أجهزة قصيرة تماما. يظهر العائد العالي للأجهزة العاملة أن بنية الجهاز مستقرة بما يكفي لتحمل ضغط التقطيع وتضمن توفير الوقت مقارنة بالعملية التي تتم خلالها معالجة الركائز الفردية.

figure-results-1
الشكل 4: نتيجة مثالية لمراقبة الجودة في نهاية عملية تصنيع الركيزة. توضح المصفوفة الحد الأقصى لتيار البوابة المقاس بالأمبير أثناء مراقبة الجودة ل 24 ركيزة من دفعة واحدة ، مع 4 أجهزة لكل منها. تمر الأجهزة الخضراء بمراقبة الجودة. في هذا المثال ، فشلت 6 من 96 جهازا في مراقبة الجودة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تم تصنيع PeFETs على أساس Cs (_{Sn 0.9}Pb_0.1) I₃ perovskite وقياسه باستخدام إعداد القياس الآلي. في الإعداد المستخدم ، تم توصيل 5 لوحات قياس ، مع القدرة على توصيل 4 PeFET لكل منها ، بمضاعف الإرسال ، والذي تم توصيله بمحلل المعلمات. تمكين القياس الآلي لما يصل إلى 20 PeFETs. يبلغ طول القناة 150 ميكرومتر وعرض القناة 1 مم. تم تصنيع كل من ملامسات البوابة ومصدر التصريف باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية بدون قناع ، مما سمح بالتحكم الدقيق في حجم قطب البوابة. من خلال تقليل منطقة ملامسة البوابة ، يتم تقليل التداخل بين طبقة البيروفسكايت والبوابة. هذا يقلل من احتمالية حدوث عيوب في منطقة العزل الكهربائي بين البيروفسكايت والبوابة ، والتي يمكن أن تؤدي إلى حدوث ماس كهربائي. تم إجراء جميع القياسات في صندوق قفازات مملوء ب_{N 2}. باستخدام البرنامج النصي لتحليل البيانات ، يتم إنشاء نظرة عامة سريعة على معلمات مفتاح الجهاز. يعرض الشكل 5 لقطة شاشة للمخططات التي تم إنشاؤها تلقائيا لخصائص النقل والإخراج كما هو موضح أدناه. في هذا المثال ، تم قياس ثلاثة جهد مصدر / تصريف مختلف لخاصية النقل (A ، B ، C) ، للحصول على قياس واحد على الأقل في النظام الخطي وقياس واحد في نظام التشبع. يحلل البرنامج النصي خاصية الإخراج أولا ويستقرأ الأنظمة الخطية والتشبع من الملاءمة الخطية إلى منحنيات الإخراج (1). يتميز النظام الخطي بالخلفية الحمراء ونظام التشبع بالخلفية الزرقاء. نظرا لوجود طرق متعددة لتحديد جهد العتبة ، والتي يمكن أن تؤدي إلى نتائج مختلفة بشكل كبير ل FET ذات الخصائص غير المثالية ، يحدد البرنامج النصي جهد العتبة بثلاث طرق مختلفة. يتم حساب جهد العتبة الأول من خاصية الإخراج (1) عن طريق تحديد الحد الفاصل بين النظام الخطي ونظام التشبع. يتم استقراء جهد العتبة الثانية عن طريق رسم الجذر التربيعي لتيار المصدر / التصريف مقابل جهد البوابة (4) والتركيب الخطي لنظام التشبع. يحدد تقاطع الملاءمة الخطية مع المحور x جهد العتبة. وبالمثل ، يتم تحديد جهد العتبة في نظام التشبع عن طريق التركيب الخطي لمخطط تيار المصدر / التصريف مقابل جهد البوابة (3) وتحديد تقاطع المحور السيني. يتم حساب تحركات الموجة الحاملة للشحنة للنظام التشبع والخطي من منحدرات النوبات الخطية المقابلة. المؤامرة الأخيرة الموضحة هي خاصية النقل على مقياس لوغاريتمي (2). في هذا المخطط ، يتم تحديد نقطة الحد الأقصى للميل لحساب تأرجح العتبة الفرعية. تظهر المخططات (1) و (3) أيضا تيار البوابة المقابل على محور y ثان بنطاق متكيف ، مما يجعل من السهل رؤية السلوك غير المثالي لتيار البوابة بسرعة.

كما هو موضح في الشكل 5 ، يتم جمع جميع معلمات الأداء المحسوبة بالإضافة إلى إعدادات القياس في جدول لكل جهد مصدر / استنزاف. علاوة على ذلك ، يتم عرض جميع النوبات الخطية في المؤامرات ، مما يسمح بالتحقق السريع مما إذا كانت النوبات معقولة. على سبيل المثال ، في مخطط النقل على مقياس لوغاريتمي ل -1 V (A2) ، من الواضح أن البرنامج النصي لم يحدد النقطة الحقيقية للمنحدر الأقصى ، وبالتالي يقلل من تأرجح العتبة الفرعية للجهاز. للعثور على نقطة المنحدر الأقصى ، يحدد البرنامج النصي أولا ويقطع الجزء الصاخب من المؤامرة. نظرا لأن النقطة الحقيقية للمنحدر الأقصى في هذه الحالة قريبة جدا من الجزء الصاخب من الحبكة ، فإن البرنامج النصي يقطعها بشكل خاطئ ، مما يدل على ضرورة مزيد من التحسين للنص. ومع ذلك ، يقدم البرنامج النصي نظرة عامة سريعة وسهلة على أداء الجهاز ويتيح المقارنة بين الأجهزة المختلفة.

figure-results-2
الشكل 5: نظرة عامة مرئية تم إنشاؤها تلقائيا لبيانات أداء PeFET. يتم عرض بيانات ثلاثة جهد مصدر / تصريف مختلف أثناء قياس النقل (A: -1 V ، B: -10 V ، C: -30 V). لكل جهد مصدر / تصريف ، يتم عرض مخطط الإخراج (1) ، ومخطط النقل على مقياس لوغاريتمي (2) ، ومخطط النقل على مقياس خطي (3) ، والجذر التربيعي لمخطط النقل على مقياس خطي (4). بالإضافة إلى ذلك ، تعرض المخططان (1) و (3) تيار البوابة المقابل على المحور y الثانوي بنطاق مناسب. هذا يسمح بتحديد مباشر للسلوك غير المثالي في تيار البوابة. الجداول الموجودة بجوار المخططات هي معلمات الأداء المستقرة والمحسوبة وإعدادات القياس. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

إلى جانب النظرة العامة المرئية الموضحة في الشكل 5 ، يتم تخزين معلمات الأداء بشكل إضافي في نموذج جدول في ملف نصي. يتم تخزين البيانات التجريبية أيضا في مثل هذا الملف. يمكن استخدام هذا لمقارنة البيانات في أي برنامج متاح لتحليل البيانات ، مما يجعل من السهل رؤية اتجاهات الأداء بمرور الوقت أو العثور على روابط بين المتغيرات التجريبية ومعلمات الأداء.

الملف التكميلي 1: برنامج نصي بايثون forAuto_Data_analysis.py. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

توفر العملية عالية الإنتاجية المقدمة لتصنيع وتوصيف PeFETs نهجا قابلا للتطوير ومرنا لاستكشاف تركيبات البيروفسكايت الجديدة. من خلال دمج الطباعة الحجرية الضوئية لتصنيع الركيزة بدقة مع القياس الآلي وتحليل البيانات ، تعزز الطريقة بشكل كبير الكفاءة التجريبية¹³^،¹⁴. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لهذا النهج في القدرة على إنشاء مجموعات البيانات المنظمة بشكل منهجي ومقارنتها بسرعة ، وهو أمر بالغ الأهمية في البحث عن أداء PeFET^{الأمثل 15}^،¹⁶.

الخطوة الحاسمة في هذه الطريقة هي التصنيع القائم على الطباعة الحجرية الضوئية لركائز الترانزستور. بالمقارنة مع طرق قناع الظل التقليدية ، يوفر الطباعة الحجرية الضوئية تعريفا فائقا للنمط ومرونة في تخطيط الجهاز²¹. هذه الميزة ذات صلة خاصة في البحث الأساسي ، حيث قد تكون هناك حاجة إلى تعديلات طفيفة على بنية الجهاز بين الدفعات أو حتى ضمن تكرار تجريبي واحد. على الرغم من أن طرق قناع الظل ، بشكل عام ، أبسط وفعالة من حيث الوقت فيما يتعلق بالطباعة الحجرية الضوئية ، إلا أنه يمكن التغلب على هذه القيود من خلال البدء بركيزة كبيرة ، والتي يتم تقطيعها في النهاية ، مما يقلل من عدد عمليات تشغيل الطباعة الحجرية المطلوبة وتقليل وقت التصنيع بنسبة 75٪ ل 24 ركيزة. أثبتت مراقبة جودة الركيزة بعد التقطيع صحة ثبات الركائز لتحمل الضغط الإضافي¹³.

يعمل دمج مضاعف الإرسال مع لوحات القياس المخصصة على تبسيط وتسريع عملية التوصيف ، مما يتيح تقييم ما يصل إلى 20 جهازا مع ما يصل إلى 5 تركيبات مختلفة من البيروفسكايت في تشغيل واحد^13,17.

أخيرا ، يضمن التحليل الآلي للبيانات معالجة وتفسير النتائج التجريبية بكفاءة. من خلال استخراج معلمات الأداء الرئيسية بشكل منهجي مثل حركة حامل الشحنة ، وجهد العتبة ، وتأرجح العتبة ، تتيح الطريقة مقارنة سريعة لتركيبات البيروفسكايت المختلفة وظروف المعالجة. ومع ذلك ، يكمن أحد التحديات في حساسية البرنامج النصي للتحليل لسلوكيات الجهاز غير المثالية. على الرغم من هذه القيود ، توفر المنهجية المقدمة أداة قوية ومرنة لجمع مجموعة واسعة من مقاييس الأداء بسرعة ، مما يسهل التحسين المنهجي للمواد وظروف المعالجة بكفاءة عالية¹⁹^،²⁰.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تنفيذ هذا العمل في إطار GEN_FAB المختبر المشترك وبدعم من مختبر هيلمهولتز للابتكار HySPRINT.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
µ الصفحة 101	هايدلبرغ إنسترومنتس		الطباعة الحجرية الضوئية
أسيتون	روث	5025.2
AZ 2026 MIF	الكيماويات الدقيقة	1002026	المطور
AZ nLOF 2027	الكيماويات الدقيقة	1A002070	مقاوم للضوء
سي إس آي	TCI	سي 2205
DMF	روث	تي 921.1
فيمتو بلازما	دينر		بلازما الضغط المنخفض
جيمس ستارإكس تي	الإشعاع		ALD
إيزوبوبانول	روث	CN09.1
كيثلي 4200A-SCS	تكترونكس		محلل المعلمات
لاب سبين6	سوس ميكروتيك		تدور المغطي
المزود ب PbI2	TCI	L0279
إس إن إف 2	الكيماويات العلمية الحرارية	AC308600050
إس إن آي 2	TCI	تي 3449
تكني ستريب NI555	الكيماويات الدقيقة	TNI555M5	ارفع
ثلاثي ميثيل الألومنيوم	ستريم	93-1360

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew Chem Int Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
Liu, C., et al. Bimolecularly passivated interface enables efficient and stable inverted perovskite solar cells. Science. 382 (6672), 810-815 (2023).
Green, M. A., et al. Solar cell efficiency table (Version 63). Prog. Photovolt: Res. Appl. 32 (1), 3-13 (2024).
Yoshikawa, K., et al. Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26%. Nat Energy. 2, 17032(2017).
Best research-cell efficiencies. , NREL. accessed 01 https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (2025).
Xie, Z., et al. High-efficiency perovskite solar cells enabled by guanylation reaction for removing MACl residual and in situ forming 2D perovskite. Angew Chem Int Ed. 64 (7), e202419070(2025).
Lin, K., et al. Perovskite light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 20 percent. Nature. 562, 245-248 (2018).
Zhang, K., Zhu, N., Zhang, M., Wang, L., Xing, J. Opportunities and challenges in perovskite LED commercialization. J. Mater. Chem. C. 9 (11), 3795-3799 (2021).
Schröder, V. R. F., et al. large area, inkjet-printed metal halide perovskite light emitting diodes. Mater. Horiz. 11, 1989-1996 (2024).
Kagan, C. R., Mitzi, D. B., Dimitrakopoulos, C. D. Organic-inorganic hybrid materials as semiconducting channels in thin-film field-effect transistors. Science. 286 (5441), 945-947 (1999).
Yu, J. C., Park, J. H., Lee, S. Y., Song, M. H. Effect of perovskite film morphology on device performance of perovskite light-emitting diodes. Nanoscale. 11, 1505-1514 (2019).
Chen, Q., et al. Under the spotlight: The organic-inorganic hybrid halide perovskite for optoelectronic applications. Nano Today. 10 (3), 355-396 (2015).
Liu, A., et al. High-performance inorganic metal halide perovskite transistors. Nat Electron. 5, 78-83 (2022).
Matsushima, T., et al. Solution-processed organic-inorganic perovskite field-effect transistors with high hole mobilities. Adv. Mater. 28 (46), 10275-10281 (2016).
Senanayak, S. P., et al. Understanding charge transport in lead iodide perovskite thin-film field-effect transistors. Sci. Adv. 3 (1), e1601935(2017).
Yusoff, A. R. bM., et al. Ambipolar triple cation perovskite field-effect transistors and inverters. Adv. Mater. 29 (8), 1602940(2017).
Liu, A., et al. Antimony fluoride (SbF3): A potent hole suppressor for tin(II)-halide perovskite devices. InfoMat. 5 (1), e12386(2023).
Cho, J. -H., et al. Anion-vacancy-defect passivation of a 2D-layered tin-based perovskite thin-film transistor with sulfur doping. Adv Electron Mater. 9 (3), 2201014(2023).
Go, J. -Y., et al. A large bandgap organic salt dopant for Sn-based perovskite thin-film transistor. Adv Funct Mater. 33 (44), 2303759(2023).
Park, G., et al. High-performance tin perovskite transistors through formate pseudohalide engineering. Mater Sci Eng R. 159, 100806(2024).
Zhu, H., et al. Fabrication of high-performance tin halide perovskite thin-film transistors via chemical solution-based composition engineering. Nat Protoc. , 1-15 (2025).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

تمكين أبحاث بيروفسكايت FET عالية الإنتاجية من خلال محطة قياس FET آلية قابلة للتخصيص

في هذه المقالة

ملخص

الملخص

المقدمة

البروتوكول

النتائج

المناقشة

الإفصاحات

شكر وتقدير

المواد

المراجع

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

مقالات ذات صلة