אפשור מחקר FET פרובסקיט בתפוקה גבוהה על ידי תחנת מדידת FET אוטומטית הניתנת להתאמה אישית

Claas Wieland; Giovanni Ligorio; Emil List-Kratochvil

doi:10.3791/68573

מאמר שיטה

אפשור מחקר FET פרובסקיט בתפוקה גבוהה על ידי תחנת מדידת FET אוטומטית הניתנת להתאמה אישית

DOI:

10.3791/68573

⸱

19 בספטמבר 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

במאמר זה

סיכום

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

פרוטוקול זה מציג תהליך תפוקה גבוה לייצור ואפיון של טרנזיסטורי אפקט שדה של סרט דק פרובסקיט. אנו מתארים תהליך ייצור הניתן להתאמה אישית באמצעות פוטוליתוגרפיה ומציגים הליך אפיון אוטומטי המשלב מרבב עם לוחות מדידה מותאמים אישית ותוכנה בכתיבה עצמית.

תקציר

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

טרנזיסטורי אפקט שדה פילם-דק (PeFET) מבוססי פרובסקיט עדיין לא השיגו את מלוא הפוטנציאל התיאורטי של סוג מבטיח זה של חומרים. כדי לגשר על הפער הזה, חיוני לפתח ולייעל קומפוזיציות פרובסקיט וטכניקות ייצור חדשות. בהתחשב במגוון הגדול של תרכובות פוטנציאליות כמו גם במגוון המשתנים המשפיעים כגון ריכוז, טמפרטורה ובחירת ממס, גישת מחקר בתפוקה גבוהה היא קריטית לחקירה וקידום יעילים. אנו מציגים תהליך גמיש וניתן להתאמה אישית המשתרע מייצור מצע ועד לאפיון המכשיר. תהליך זה מתאפשר ומשלב פוטוליתוגרפיה לדפוסים מותאמים אישית, תחנת מדידה אוטומטית לאפיון FET וניתוח נתונים אוטומטי. עמדת המדידה האוטומטית מבוססת על מרבב, המחובר לחמישה לוחות מדידה. לוחות המדידה מוגדרים למדוד מצע אחד עם ארבעה מכשירים כל אחד. מאפשר מדידה אוטומטית של 20 מכשירים עם עד 5 ניסוחים שונים של פרובסקיט. באמצעות נהלי בדיקה סטנדרטיים, הנתונים הגולמיים מנותחים אוטומטית כדי לקבל את מאפייני ההעברה והפלט של ה-PeFET כמו גם פרמטרי ביצועים מרכזיים כמו מתח הסף, נדנדת תת-הסף וניידות אפקט השדה. התוצאה היא מאגר נתונים מאורגן באופן שיטתי עם נתונים הניתנים להשוואה בקלות עבור הרכבי פרובסקיט שונים או שינויים בתנאי הייצור.

מבוא

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

תחום המכשירים האופטו-אלקטרוניים המבוססים על פרובסקיט מתכת הליד (MHP) ראה התקדמות מדהימה בשני העשורים האחרונים. במיוחד השילוב המוצלח בדיודות פוטו-וולטאיות ופולטות אור (LED) הוביל לעניין הולך וגובר במחלקת חומרים זו. יעילות המרת החשמל של תאים סולאריים מבוססי MHP עלתה במהירות מ-13.9% ב-2013 ל-26.7% ב-2024 1,2,3,4,5,6. נוריות LED מבוססות MHP חרגו מיעילות קוונטית חיצונית של 20% על פני מגוון רחב של הספקטרום הנראה, תוך ניצול היכולת של פער פס הניתן לכוונון עדין, המאפשר גם נוריות LED בצבע^כפול ^7,8,9. פיתוחים מרשימים אלה מדגימים את היכולות של MHP עבור מכשירים אופטו-אלקטרוניים.

עם זאת, ההתקדמות בתחום טרנזיסטורי אפקט שדה סרט דק (PeFETs) מבוססי MHP עדיין לא ראתה את אותה הצלחה בפיתוח. למרות העובדה, שהמאפיינים התיאורטיים של MHPs אמורים להפוך אותם לבחירה מבטיחה עבור FETs, עם ניידות נושא מטען תיאורטית של מעל 1000 ס"מ² ^V-1 ^s-1 והובלת נושא מאוזן לטווח ארוך 10,11,12. עם זאת, המכשירים בעולם האמיתי בעלי הביצועים הגבוהים ביותר הגיעו לניידות נושא טעינה של עד 55 ס"מ² ^V-1 ^s-1, וזה כבר הישג מרשים, אבל זה מראה שעדיין יש הרבה מקום לשיפור¹³.

הביצועים ההולכים וגדלים של PeFET במהלך השנים האחרונות הושגו על ידי אופטימיזציה של ארכיטקטורת המכשיר, מאפייני הממשק והרכב MHP 13,14,15,16. יתר על כן, תוספת של מגוון תוספים כמו SnF₂, SbF₃ או פסאודוהלידים הראתה תוצאות מבטיחות 17,18,19,20. השילוב של המספר הגדול של מבשרי פרובסקיט אפשריים עם המספר ההולך וגדל של תוספים מעניינים מוביל למספר גבוה מאוד של קומפוזיציות פרובסקיט אפשריות. אם לוקחים בחשבון את מגוון המשתנים הניסיוניים, כמו ריכוז, ממס וטמפרטורה, שיטה עם תפוקה גבוהה חיונית בחיפוש אחר PeFET עם ביצועים עיליים.

אנו מציגים תהליך ייצור ניתן להרחבה והתאמה אישית עבור מצעי טרנזיסטור המבוסס על פוטוליתוגרפיה. רוב ארכיטקטורות PeFET המשומשות מסתמכות על לפחות אחת משכבות המגע במערכת מסכת צל 17,18,19,20,21. למרות שהן פשוטות לשימוש וחסכוניות מאוד בזמן, למסכות צל יש קצוות רכים יחסית והן נשחקות עם הזמן. יתר על כן, הדפוס מוגדר מראש ולא ניתן להתאים אותו לדרישות המשתנות. לפוטוליתוגרפיה, לעומת זאת, יש דפוסים וקצוות מוגדרים בצורה חדה מאוד מכיוון שהפוטו-רזיסט מוחל ישירות על פני המצע. עם פוטוליתוגרפיה ללא מסכה, ניתן לשנות את התבנית עבור כל חשיפה במידת הצורך, מה שמאפשר התאמות אצווה לאצווה או אפילו מצע למצע. מכיוון שהחשיפה של מצעים בודדים היא מייגעת וגוזלת זמן, מצע זכוכית בגודל 5 ס"מ על 5 ס"מ מעובד כיחידה אחת עד לנקודה שבה כל האלקטרודות מוגמרות ולאחר מכן נחתך לקוביות ל-25 מצעים בגודל 1 ס"מ על 1 ס"מ, מה שמפחית באופן דרסטי את זמן הייצור מ-16 שעות ל-4 שעות. אפשר גם להשתמש במצע זכוכית גדול יותר, שיגדיל את מספר המצעים לאצווה ויגדיל את התהליך.

כדי לנצל את העלייה במהירות הייצור, חיוני גם שיהיה תהליך אפיון שיכול לעבוד באופן אמין עם מספר רב של מכשירים. אנו מציגים מערך מדידה, המשלב מרבב עם לוחות מדידה מתוצרת עצמית, הניתנים לשליטה ישירות מתוכנת הבקרה של מנתח הפרמטרים (איור 1). הגדרה זו מאפשרת מדידה אוטומטית של 5 מצעים עם 4 מכשירים כל אחד. לאחר המדידה, הנתונים המתקבלים מוערכים אוטומטית על ידי סקריפט בכתיבה עצמית (קובץ משלים 1), שמחשב פרמטרי ביצועים מרכזיים של PeFET ושומר אותם במאגר נתונים, מה שמקל על השוואת התוצאות ולראות מגמות ארוכות טווח.

השילוב של תהליך הייצור המהיר יותר עם הליך האפיון האוטומטי מאפשר תהליך אמין, ניתן להרחבה ובעל תפוקה גבוהה, שהוא גם גמיש וניתן להתאמה אישית, מה שהופך אותו לכלי חזק בחיפוש אחר קומפוזיציות MHP חדשות.

figure-introduction-1
איור 1: סכימה ניסויית של תהליך המחקר של PeFET בתפוקה גבוהה המוצג. (1) ייצור המצע על מצע יחיד גדול. (2) עיבוד המצע הבודד על ידי מריחת הפרובסקיט. (3) המדידה האוטומטית וניתוח הנתונים. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

פרוטוקול

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

פרטי הריאגנטים והציוד המשמש במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.

1. פוטוליתוגרפיה

ניקוי מצעים
1. קח מצע זכוכית בגודל 50 מ"מ על 50 מ"מ ועשה אותו בסוניקציה למשך 10 דקות באיזופרופנול (IPA), ולאחר מכן ייבוש עם אקדח חנקן. חזור על הפעולה עם אצטון.
2. לאחר הייבוש, הניחו את המצע בפלזמת חמצן בלחץ נמוך (5 דקות, 20 sccm, 0.35 mbar, 150 W).
  הערה: הליך זה הוא הליך הניקוי הסטנדרטי והוא נועד לחזור עליו בכל פעם שהטקסט הבא אומר מצעים נקיים.
ליתוגרפיה של שער
1. הנח את המצע הנקי על ציפוי ספין ופיפטה 600 מיקרוליטר פוטו-רזיסט על אמצע המצע. הפעל את ציפוי הסיבוב (60 שניות, 4000 סל"ד, 2000 acc, 3.5 מיקרומטר).
2. מעבירים את המצע לפלטה חמה שחוממת מראש לאפייה לפני חשיפה (60 שניות, 110 מעלות צלזיוס). לאחר התקררות, העבירו את המצע למכונת הפוטוליתוגרפיה ללא מסכה לחשיפה (15 mW, 75%, 1 x 1).
3. הניחו את המצע החשוף במלואו על פלטה חמה שחוממה מראש לאפייה לאחר החשיפה (70 שניות, 110 מעלות צלזיוס).
4. פתח את הפוטו-רזיסט במפתח למשך 90 שניות, שטוף במים וייבש בעזרת אקדח חנקן.
אידוי שער Cu
1. העבירו את המצע לפלזמת חמצן בלחץ נמוך (5 דקות, 20 sccm, 0.35 mbar, 150 W).
2. מניחים את המצע בתא אידוי. ראשית, התאדו 5 ננומטר Cr, ואחריו 50 ננומטר Cu. הוציאו את המצע מתא האידוי, טבלו אותו במסיר וסוניקט למשך 30 דקות בטמפרטורה של 50 מעלות צלזיוס.
שקיעת שכבה אטומית (ALD) של Al₂O₃
1. נקה את המצע. מעבירים את המצע למכונת ALD. הפעל את המתכון של Al₂O₃למשך 800 מחזורים, וכתוצאה מכך שכבה של 100 ננומטר של Al₂O₃.
  הערה: מחזור אחד מורכב מטרימתילאלומיניום של 35 אלפיות השנייה ואחריו דופק H₂O של 250 אלפיות השנייה. טמפרטורת החדר ב-25 המחזורים הראשונים היא 100 מעלות צלזיוס, וב-775 המחזורים הבאים, 200 מעלות צלזיוס.
ליתוגרפיה של מקור/ניקוז
1. נקה את המצע. החל פוטו-רזיסט על המצע כמתואר בשלב 1.2.
2. יישר את המצע עם הסמנים משכבת הליתוגרפיה הראשונה במכונת הפוטוליתוגרפיה לפני החשיפה. חשיפה, אפייה ופיתוח לאחר החשיפה לפי שלב 1.2.
מקור/ניקוז אידוי Au
1. העבירו את המצע לפלזמת חמצן בלחץ נמוך (5 דקות, 20 sccm, 0.35 mbar, 150 W). הנח את המצע בתא אידוי. ראשית, התאדה 5 ננומטר Cr, ואחריו 50 ננומטר Au.
2. הסר את המצע מתא האידוי, טבל אותו בחשפנית פוטו-רזיסט וסוניקט למשך 30 דקות ב-50 מעלות צלזיוס.
קוביות המצע
1. נקה את המצע. החל פוטו-רזיסט באמצעות ציפוי הספין (60 שניות, 4000 סל"ד, 2000 acc, 3.5 מיקרומטר). הניחו את המצע על פלטה חמה (5 דקות, 110 מעלות צלזיוס).
2. העבירו את המצע למסור הוופל וחתכו אותו לקוביות למצעים בגודל 10 מ"מ על 10 מ"מ. הסר את הפוטו-רזיסט על ידי סוניקציה למשך 30 דקות ב-50 מעלות צלזיוס במסיר (איור 2).

figure-protocol-1
איור 2: ייצוג סכמטי של תהליך ייצור המצע בגודל 5 ס"מ על 5 ס"מ. זה כולל שלבי ליתוגרפיה עוקבים, ואחריהם קוביות למצעים בגודל 1 ס"מ על 1 ס"מ (A). תמונות של מצעי הטרנזיסטור הסופיים המכילים 4 מכשירים עם ובלי שכבת פרובסקיט ושל מצע קבל (B). מצע קבלים אחד לכל אצווה מיוצר כדי למדוד את הקבוע הדיאלקטרי של שכבת Al₂O₃ . אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

2. ציפוי ספין של שכבת הפרובסקיט

הערה: מכאן ואילך, כל השלבים הבאים מתבצעים בתא כפפות בגלל רגישות האוויר של שכבת הפרובסקיט.

הכנת פתרון
1. הכן את תמיסת המבשר יום אחד לפני ציפוי הסיבוב.
2. שוקלים 150 מ"ג SnI₂ ומתמוססים ב-1398 מיקרוליטר DMF. שוקלים 125 מ"ג CsI וממיסים ב-1203 מיקרוליטר של תמיסת SnI₂ . שוקל 15 מ"ג PbI₂ומתמוסס ב-1017 מיקרוליטר של תמיסת CsSnI₃ , וכתוצאה מכך תמיסה של 0.4 M של Cs(Sn_0.9Pb_0.1)I₃ עם עודף של Cs ביחס ל-Sn + Pb של 1.25:1. שוקלים 6 מ"ג של SnF₂ וממיסים ב-1000 מיקרוליטר DMF.
3. מנערים את התמיסות המוכנות בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
ציפוי ספין
1. הוסף 765 μL מתמיסת SnF₂ המוכנה לתמיסת 1017 μL Cs (Sn_0.9Pb_0.1) I₃ ממש לפני ציפוי הסיבוב. מניחים את המצע בציפוי הסיבוב.
2. פיפטה 20 מיקרוליטר של תמיסת המבשר המוכנה באמצע המצע. הפעל את ציפוי הסיבוב (150 שניות, 4000 סל"ד, 1000 AC, 40 ננומטר). יש לחשל את המצעים המצופים בסיבוב למשך 5 דקות בטמפרטורה של 120 מעלות צלזיוס.
הפרדת המכשירים
1. על כל מצע ישנם ארבעה מכשירים, אותם יש להפריד כדי למנוע אינטראקציה צולבת. קח מקל כותנה, טבל אותו ב- DMF וקח מצע של הפלטה החמה.
2. צייר עם מקל הכותנה על המצע החם עדיין סביב המכשירים הבודדים והפרד את שכבת הפרובסקיט. הסר את שכבת הפרובסקיט מכל רפידות המגע באותו אופן.

3. אפיון

הגדרת חומרה
1. הניחו את המצע הפוך בלוח המדידה וודאו שרפידות המגע של ההתקנים הנכונים מיושרות עם הפינים המתאימים בלוח המדידה (איור 3).
2. חבר את לוח המדידה למרבב. חבר את המרבב ל-SMU של מנתח הפרמטרים באמצעות שני כבלים קואקסיאליים, אחד למגע השער ואחד למגעי המקור/ניקוז, המחברים את המקור ל-SMU ואת הניקוז לאדמה.
הגדרת תוכנה
1. ודא שכל הכבלים מחוברים בצורה הנכונה. הפעל את מנתח הפרמטרים והפעל את תוכנת הבקרה כמנהל מערכת.
2. הגדר את המדידה על ידי הגדרת כמה לוחות מדידה מחוברים למרבב וטעונים במצע. הגדר את השמות/מזהים עבור המצעים ואת מספר המכשירים שאמורים להיות מאופיינים .
3. הגדר את הניקוז לכל המדידות כקרקע משותפת. עבור מדידות העברה, הגדר טאטא ליניארי מתח בשער הנע בין 25 V ל-30 V, עם שלב מתח של -0.1 V. הגדר את המקור כהטיה קבועה עם 1 V, 10 V ו-30 V, בהתאמה.
4. עבור מדידות היציאה, הגדר את מדרגות המתח בשער בטווח שבין -30 V ל-10 V, עם גודל צעד של 10 V.
5. הגדר טאטא ליניארי מתח במקור בטווח שבין 0 V ל- -30 V, עם גודל צעד של 0.5 V. לפני תחילת המדידה, הגדר את טווח זרם המקור והשער לאוטומטי מוגבל עם מגבלה של 1 nA.
מדידה
1. לחץ על הפעל בממשק התוכנה, והמדידה תתחיל. המרבב עובר דרך המכשירים המוגדרים מראש, ומנתח הפרמטרים מבצע את הבדיקות המוגדרות.
  הערה: בסיום המדידה, ניתן לסקור את הנתונים ישירות בתוכנת הבקרה של מנתח הפרמטרים וניתן לייצא אותם כקבצי xlsx.
ייצוא נתונים
1. ייצא את נתוני המדידה כקובצי xlsx. שם הקובץ חייב להכיל את מספר האצווה וכן את מספרי המצע ואת הטיית ניקוז המקור עבור מדידות ההעברה.
  הערה: לדוגמה, אם נמדדו המצעים 1 עד 5 של האצווה הראשונה, קובץ נתוני הפלט נקרא "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Output.xlsx". המשמעות היא שמצע 1 הוצב בלוח המדידה הראשון, מצע 2 בלוח המדידה השני וכן הלאה. קובץ נתוני ההעברה המתאים נקרא "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Transfer_10V.xlsx", אם ההעברה נמדדה בהטיית ניקוז מקור של 10 וולט. יש גם קובץ יומן בסייר הקבצים, המכיל מידע על אילו נתונים מתאימים לאיזה מכשיר.

figure-protocol-2
איור 3: מודל תלת-ממדי של מערך לוח המדידה. (א) הדמיה של הנחת מצע בלוח המדידה. (ב) מערך פינים על לוח המדידה עם ובלי מצע טעון. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

4. ניתוח נתונים

ניתוח נתונים אוטומטי
1. העבר את קובץ הנתונים xlsx ואת קובץ היומן למחשב הרצוי והנח את הקבצים בתיקיית "נתונים". הפעל את סקריפט Python Auto_Data_analysis.py (קובץ משלים 1).
  הערה: הסקריפט מבקש את מזהי המצעים ואם נלקחו מדידות העברה מרובות במתחי מקור/ניקוז שונים. אם נלקחו מדידות העברה מרובות, הסקריפט מבקש את הערכים של מתחי המקור/ניקוז. לאחר הזנת כל המידע הדרוש, הסקריפט עובר על הנתונים ויוצר תיקיה בשם "עלילות". היכנס לתיקיית "עלילות", המכילה שתי תיקיות, "קצר" ו"עובד". התיקיה "קצרה" מכילה את עלילות המכשירים שלא תפקדו כראוי, והתיקיה "עובד" מכילה את עלילות המכשירים העובדים. היכנס לתיקיית "עובד", בפנים נמצאים קבצי PNG הנקראים על שם המכשירים המתאימים ומציגים סקירה כללית של כל עלילות הפלט וההעברה, כמו גם את תצורת המדידה ופרמטרי הביצועים המחושבים.
מאגר נתונים
1. ודא שסקריפט Python יוצר גם קובץ טקסט אחד עבור כל אצווה וקובץ טקסט משולב אחד עבור כל המכשירים, המכיל מטא נתונים כמו משתנים ניסיוניים ופרמטרי ביצועים, וניתן להשתמש בו כדי לנתח את הנתונים עם כל תוכנת ניתוח נתונים נפרדת.

תוצאות

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

כדי לאמת את שיטת הייצור עבור השער התחתון ומצעי המגע התחתונים ולהבטיח שכל ערימת הארכיטקטורה מתפקדת כראוי לאחר שלבי הליתוגרפיה הבאים וחיתוך מצע הזכוכית הגדול, כל המכשירים עוברים בקרת איכות. לאחר חיתוך ולפני מריחת שכבת הפרובסקיט, כל המצעים של האצווה ממוקמים במערך המדידה. בין מגעי המקור והניקוז מוחל V 10, והשער נסחף מ- V 40- ל- V 30. טווח הבדיקה נבחר על פי טווח העניין עבור ה- PeFET שעבורם ישמשו המצעים. הזרם המרבי הנמדד במגע השער נרשם ומוערך. כל מכשיר עם זרם שער מרבי קטן מ- 1 x ^10-7 A נחשב טוב בתנאי בדיקה אלה. איור 4 מציג דוגמה לבקרת איכות כזו. רק 6 מתוך 96 המכשירים נכשלים בבקרת האיכות, כאשר 2 מתוך 6 קצרים לחלוטין. התפוקה הגבוהה של מכשירים מתפקדים מראה כי ארכיטקטורת המכשיר יציבה מספיק כדי לעמוד בלחץ הקוביות ומבטיחה חיסכון בזמן בהשוואה לתהליך שבמהלכו מעובדים מצעים בודדים.

figure-results-1
איור 4: תוצאה לדוגמה של בקרת איכות בסוף תהליך ייצור המצע. המטריצה מציגה את זרם השער המרבי הנמדד באמפר במהלך בקרת האיכות עבור 24 מצעים של אצווה אחת, עם 4 מכשירים כל אחד. המכשירים הירוקים עוברים את בקרת האיכות. בדוגמה זו, 6 מתוך 96 המכשירים נכשלו בבקרת האיכות. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

PeFET המבוססים על פרובסקיט Cs(Sn_0.9Pb_0.1)I₃ יוצרו ונמדדו באמצעות מערך המדידה האוטומטי. במערך המשומש, 5 לוחות מדידה, עם יכולת לחבר 4 PeFET כל אחד, חוברו למרבב, שהיה מחובר למנתח פרמטרים. מאפשר מדידה אוטומטית של עד 20 PeFETs. למכשירים היה אורך תעלה של 150 מיקרומטר ורוחב תעלה של 1 מ"מ. גם מגעי השער וגם מגעי הניקוז יוצרו באמצעות פוטוליתוגרפיה ללא מסכה, שאפשרה שליטה מדויקת על גודל אלקטרודת השער. על ידי מזעור שטח המגע בשער, החפיפה בין שכבת הפרובסקיט לשער מצטמצמת. זה מוריד את הסבירות לפגמים באזור הדיאלקטרי בין הפרובסקיט לשער, מה שעלול להוביל לקצר חשמלי. כל המדידות בוצעו בתא כפפות מלא N₂. באמצעות קובץ ה- Script לניתוח נתונים, נוצרת סקירה מהירה של פרמטרי מפתח המכשיר. איור 5 מציג צילום מסך של העלילות שנוצרו אוטומטית של מאפייני ההעברה והפלט כמתואר להלן. בדוגמה זו, נמדדו שלושה מתחי מקור/ניקוז שונים עבור מאפיין ההעברה (A, B, C), כדי לקבל לפחות מדידה אחת במשטר הליניארי ומדידה אחת במשטר הרוויה. הסקריפט מנתח תחילה את מאפיין הפלט ומבצע אקסטרפולציה של משטרי הליניאריות והרוויה מהתאמה ליניארית לעקומות הפלט (1). המשטר הליניארי מסומן על ידי הרקע האדום ומשטר הרוויה על ידי הרקע הכחול. מכיוון שישנן מספר שיטות לקביעת מתח הסף, מה שיכול להוביל לתוצאות שונות משמעותית עבור FET עם מאפיינים לא אידיאליים, הסקריפט קובע את מתח הסף בשלוש דרכים שונות. מתח הסף הראשון מחושב ממאפיין הפלט (1) על ידי קביעת הגבול בין משטר הליניארי לרוויה. מתח הסף השני משוער על ידי התוויית השורש הריבועי של זרם המקור/ניקוז לעומת מתח השער (4) והתאמה ליניארית למשטר הרוויה. הצטלבות ההתאמה הליניארית עם ציר ה-x קובעת את מתח הסף. באופן אנלוגי, מתח הסף במשטר הרוויה נקבע על ידי התאמה ליניארית של העלילה של זרם המקור/ניקוז לעומת מתח השער (3) וקביעת צומת ציר ה-x. ניידות נושא המטען עבור הרוויה והמשטר הליניארי מחושבות ממדרונות ההתאמות הליניאריות המתאימות. התרשים האחרון שמוצג הוא מאפיין ההעברה בקנה מידה לוגריתמי (2). בתרשים זה, נקודת השיפוע המרבי נקבעת לחישוב נדנדת הסף. העלילות (1) ו-(3) מציגות גם את זרם השער המתאים על ציר y שני עם טווח מותאם, מה שמקל על לראות במהירות את ההתנהגות הלא אידיאלית של זרם השער.

כפי שמוצג באיור 5, כל פרמטרי הביצועים המחושבים כמו גם הגדרות המדידה, נאספים בטבלה עבור כל מקור/ניקוזtage. יתר על כן, כל ההתאמות הליניאריות מוצגות בעלילות, מה שמאפשר בדיקה מהירה אם ההתאמות הגיוניות. לדוגמה, בתרשים ההעברה בקנה מידה לוגריתמי עבור -1 V (A2), התסריט בבירור לא קבע את הנקודה האמיתית של השיפוע המרבי ולכן הוא ממעיט בהערכת הנדנדה של תת-הסף של המכשיר. כדי למצוא את נקודת השיפוע המקסימלית, התסריט קודם כל קובע וחותך את החלק הרועש של העלילה. מכיוון שהנקודה האמיתית של השיפוע המקסימלי במקרה זה קרובה מאוד לחלק הרועש של העלילה, התסריט חותך אותה באופן שגוי, מה שמראה שיש צורך בחידוד נוסף של התסריט. עם זאת, הסקריפט נותן סקירה מהירה וקלה של ביצועי המכשיר ומאפשר השוואה בין מכשירים שונים.

figure-results-2
איור 5: סקירה חזותית שנוצרת אוטומטית של נתוני הביצועים של PeFET. הנתונים עבור שלושה מתחי מקור/ניקוז שונים במהלך מדידת ההעברה מוצגים (A: -1 V, B: -10 V, C: -30 V). עבור כל מתח מקור/ניקוז, מוצגות עלילת הפלט (1), עלילת ההעברה בקנה מידה לוגריתמי (2), עלילת העברה בקנה מידה ליניארי (3) והשורש הריבועי של עלילת ההעברה בקנה מידה ליניארי (4). עלילות (1) ו-(3) מציגות בנוסף את זרם השער המתאים על ציר y משני עם טווח מתאים. זה מאפשר זיהוי פשוט של התנהגות לא אידיאלית בזרם השער. הטבלאות שליד העלילות הן פרמטרי הביצועים האקסטרפולטיביים והמחושבים והגדרות המדידה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

מלבד הסקירה החזותית המוצגת באיור 5, פרמטרי הביצועים מאוחסנים בנוסף בטופס טבלה בקובץ טקסט. נתוני הניסוי מאוחסנים גם בקובץ כזה. ניתן להשתמש בזה כדי להשוות את הנתונים בכל תוכנת ניתוח נתונים זמינה, מה שמקל על לראות מגמות ביצועים לאורך זמן או למצוא קשרים בין משתנים ניסיוניים ופרמטרי ביצועים.

קובץ משלים 1: סקריפט Python forAuto_Data_analysis.py. אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.

דיון

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

התהליך המוצג בתפוקה גבוהה לייצור ואפיון של PeFET מספק גישה ניתנת להרחבה וגמישה לחקר קומפוזיציות פרובסקיט חדשות. על ידי שילוב פוטוליתוגרפיה לייצור מצע מדויק עם מדידה אוטומטית וניתוח נתונים, השיטה משפרת משמעותית את יעילות הניסוי^13,14. אחד היתרונות המרכזיים של גישה זו הוא היכולת ליצור ולהשוות במהירות מערכי נתונים מובנים באופן שיטתי, וזה חיוני בחיפוש אחר ביצועי PeFET אופטימליים^15,16.

שלב קריטי בשיטה זו הוא ייצור מבוסס פוטוליתוגרפיה של מצעי טרנזיסטור. בהשוואה לשיטות מסורתיות של מסיכות צל, פוטוליתוגרפיה מציעה הגדרת דפוס מעולה וגמישות בפריסת המכשיר²¹. יתרון זה רלוונטי במיוחד במחקר בסיסי, שבו ייתכן שיידרשו שינויים קלים בארכיטקטורת המכשיר בין קבוצות או אפילו בתוך איטרציה ניסויית אחת. למרות ששיטות מסכת צל הן, באופן כללי, פשוטות יותר וחסכוניות בזמן ביחס לפוטוליתוגרפיה, ניתן להתגבר על מגבלות אלו על ידי התחלה עם מצע גדול, שנחתך בסופו של דבר, הפחתת מספר ריצות הליתוגרפיה הדרושות והפחתת זמן הייצור ב-75% עבור 24 מצעים. בקרת האיכות של המצע לאחר חיתוך אימתה את יציבות המצעים כדי לעמוד בלחץ הנוסף¹³.

השילוב של מרבב עם לוחות מדידה מותאמים אישית מפשט ומאיץ את תהליך האפיון, ומאפשר הערכה של עד 20 מכשירים עם עד 5 קומפוזיציות פרובסקיט שונות בריצה אחת^13,17.

לבסוף, ניתוח הנתונים האוטומטי מבטיח עיבוד ופרשנות יעילים של תוצאות הניסוי. על ידי חילוץ שיטתי של פרמטרי ביצועים מרכזיים כגון ניידות נושא מטען, מתח סף ונדנדה תת-סף, השיטה מאפשרת השוואה מהירה של ניסוחים שונים של פרובסקיט ותנאי עיבוד. עם זאת, אתגר אחד טמון ברגישות של סקריפט הניתוח להתנהגויות מכשיר לא אידיאליות. למרות מגבלות אלו, המתודולוגיה המוצגת מספקת כלי רב עוצמה וגמיש לאיסוף מגוון רחב של מדדי ביצועים במהירות, המאפשרת אופטימיזציה שיטתית של חומרים ותנאי עיבוד ביעילות גבוהה^19,20.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

עבודה זו בוצעה במסגרת GEN_FAB המעבדה המשותפת ובתמיכת מעבדת החדשנות של הלמהולץ HySPRINT.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
ומיקרו; עמ' 101	היידלברג אינסטרומנטס		פוטוליתוגרף
אצטון	רוט	5025.2
AZ 2026 MIF	מיקרוכימיקלים	1002026	מפתח
AZ nLOF 2027	מיקרוכימיקלים	1א002070	פוטו-רזיסט
CsI	TCI	C2205
DMF	רוט	T921.1
פלזמה פמטו	דיינר		פלזמה בלחץ נמוך
GEMStarXT	הקרנה		אלד
איזופרופנול	רוט	CN09.1
קית'לי 4200A-SCS	טקטרוניקס		מנתח פרמטרים
לאבספין6	SUSS מיקרוטק		ציפוי ספין
PbI2	TCI	L0279
SnF2	כימיקלים תרמו סיינטיפיק	AC308600050
SnI2	TCI	T3449
טכניסטריפ NI555	מיקרוכימיקלים	TNI555M5	להמריא
טרימתילאלומיניום	סטרם	93-1360

מקורות

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

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).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

FETs

אפשור מחקר FET פרובסקיט בתפוקה גבוהה על ידי תחנת מדידת FET אוטומטית הניתנת להתאמה אישית

במאמר זה

סיכום

תקציר

מבוא

פרוטוקול

תוצאות

דיון

גילויים

תודות

חומרים

מקורות

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

מאמרים קשורים