Methodenartikel

Perovskiet-FET-onderzoek met hoge doorvoer mogelijk maken door een aanpasbaar geautomatiseerd FET-meetstation

DOI:

10.3791/68573

⸱

19 september 2025

 ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

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

Dit protocol presenteert een high-throughput proces voor de fabricage en karakterisering van perovskiet dunne-film veldeffecttransistors. We beschrijven een aanpasbaar fabricageproces met behulp van fotolithografie en presenteren een geautomatiseerde karakteriseringsprocedure die een multiplexer combineert met aangepaste meetborden en zelfgeschreven software.

Samenvatting

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

Op perovskiet gebaseerde dunne-film veldeffecttransistors (PeFET's) moeten nog het volledige theoretische potentieel van deze veelbelovende klasse materialen bereiken. Om deze kloof te overbruggen, is het essentieel om nieuwe perovskietsamenstellingen en fabricagetechnieken te ontwikkelen en te optimaliseren. Gezien de grote verscheidenheid aan potentiële verbindingen en de veelheid aan beïnvloedende variabelen zoals concentratie, temperatuur en keuze van oplosmiddelen, is een high-throughput onderzoeksaanpak van cruciaal belang voor efficiënte exploratie en vooruitgang. We presenteren een flexibel en aanpasbaar proces dat zich uitstrekt van de fabricage van substraten tot de karakterisering van het apparaat. Dit proces wordt mogelijk gemaakt door en integreert fotolithografie voor aangepaste patronen, een geautomatiseerd meetstation voor FET-karakterisering en geautomatiseerde gegevensanalyse. Het geautomatiseerde meetstation is gebaseerd op een multiplexer, die is aangesloten op vijf meetborden. De meetborden zijn geconfigureerd om één substraat te meten met elk vier apparaten. Hiermee kunnen 20 apparaten met maximaal 5 verschillende perovskietformuleringen automatisch worden gemeten. Met behulp van gestandaardiseerde testprocedures worden de onbewerkte gegevens automatisch geanalyseerd om de overdrachts- en uitvoerkenmerken van de PeFET's te verkrijgen, evenals belangrijke prestatieparameters zoals de drempelspanning, de schommeling onder de drempel en de mobiliteit van het veldeffect. Het resultaat is een systematisch georganiseerde datapool met gemakkelijk vergelijkbare gegevens voor verschillende perovskietsamenstellingen of wijzigingen in fabricageomstandigheden.

Inleiding

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

Op het gebied van opto-elektronische apparaten op basis van metaalhalogenide perovskiet (MHP) heeft de afgelopen twee decennia een verbazingwekkende vooruitgang geboekt. Vooral de succesvolle integratie in fotovoltaïsche cellen en lichtgevende diodes (LED's) heeft geleid tot een steeds grotere belangstelling voor deze materiaalklasse. De energieconversie-efficiëntie van op MHP gebaseerde zonnecellen is snel gestegen van 13,9% in 2013 tot 26,7% in 2024 1,2,3,4,5,6. MHP-gebaseerde LED's hebben een externe kwantumefficiëntie van 20% overschreden over een breed bereik van het zichtbare spectrum, gebruikmakend van het vermogen van een fijn afstembare bandkloof, waardoor ook tweekleurige LED's mogelijk zijn 7,8,9. Deze indrukwekkende ontwikkelingen tonen de mogelijkheden van MHP's voor opto-elektronische apparaten.

Desalniettemin heeft de vooruitgang op het gebied van MHP-gebaseerde dunne-film veldeffecttransistors (PeFET's) nog niet hetzelfde succes geboekt in de ontwikkeling. Ondanks het feit dat de theoretische eigenschappen van MHP's ze tot een veelbelovende keuze voor FET's zouden moeten maken, met theoretische ladingsdragermobiliteit van meer dan 1000 cm2 V-1 s-1 en gebalanceerd dragertransport over lange afstand 10,11,12. De apparaten in de echte wereld met de hoogste prestaties hebben echter laadcarrier-mobiliteit tot 55 cm bereikt2 V-1 s-1, wat al een indrukwekkende prestatie is, maar het laat zien dat er nog veel ruimte voor verbetering is13.

De toenemende prestaties van PeFET's in de afgelopen jaren werden bereikt door de apparaatarchitectuur, interface-eigenschappen en MHP-samenstelling te optimaliseren 13,14,15,16. Bovendien heeft de toevoeging van een verscheidenheid aan additieven zoals SnF2, SbF3 of pseudohalogeniden veelbelovende resultaten opgeleverd 17,18,19,20. De combinatie van het grote aantal mogelijke perovskietprecursoren met het toenemende aantal interessante additieven leidt tot een zeer hoog aantal mogelijke perovskietsamenstellingen. Rekening houdend met de verscheidenheid aan experimentele variabelen, zoals concentratie, oplosmiddel en temperatuur, is een high-throughput-methode essentieel in de zoektocht naar hoogwaardige PeFET's.

We presenteren een schaalbaar en aanpasbaar fabricageproces voor transistorsubstraten dat is gebaseerd op fotolithografie. De meeste van de gebruikte PeFET-architecturen zijn afhankelijk van ten minste één van de contactlagen op een schaduwmaskersysteem 17,18,19,20,21. Hoewel ze eenvoudig te gebruiken en zeer tijdbesparend zijn, hebben schaduwmaskers relatief zachte randen en verslijten ze na verloop van tijd. Bovendien is het patroon vooraf gedefinieerd en kan het niet worden aangepast aan veranderende eisen. Fotolithografie daarentegen heeft zeer scherp gedefinieerde patronen en randen omdat de fotoresist rechtstreeks op het oppervlak van het substraat wordt aangebracht. Met maskerloze fotolithografie kan het patroon indien nodig voor elke belichting worden gewijzigd, waardoor batch-tot-batch of zelfs substraat-tot-substraat aanpassingen mogelijk zijn. Omdat de belichting van afzonderlijke substraten vervelend en tijdrovend is, wordt een glassubstraat van 5 cm x 5 cm als één geheel verwerkt tot het punt waarop alle elektroden klaar zijn en vervolgens in 25 substraten van 1 cm x 1 cm gesneden, waardoor de fabricagetijd drastisch wordt verkort van 16 uur naar 4 uur. Het is ook mogelijk om een groter glassubstraat te gebruiken, waardoor het aantal substraten per batch toeneemt en het proces wordt opgeschaald.

Om te profiteren van de toename van de fabricagesnelheid, is het ook essentieel om een karakteriseringsproces te hebben dat betrouwbaar kan werken met een groot aantal apparaten. We presenteren een meetopstelling, die een multiplexer combineert met zelfgemaakte meetborden, die rechtstreeks vanuit de besturingssoftware van de parameteranalysator kunnen worden aangestuurd (Figuur 1). Deze opstelling maakt het mogelijk om 5 substraten met elk 4 apparaten automatisch te meten. Na de meting worden de resulterende gegevens automatisch geëvalueerd door een zelfgeschreven script (aanvullend bestand 1), dat de belangrijkste prestatieparameters van PeFET's berekent en opslaat in een datapool, waardoor het gemakkelijk wordt om de resultaten te vergelijken en langetermijntrends te zien.

Door het snellere fabricageproces te combineren met de geautomatiseerde karakteriseringsprocedure ontstaat een betrouwbaar, schaalbaar en high-throughput proces dat ook flexibel en aanpasbaar is, waardoor het een sterk hulpmiddel is bij het zoeken naar nieuwe MHP-samenstellingen.

figure-introduction-1
Figuur 1: Experimenteel schema van het gepresenteerde high-throughput PeFETs-onderzoeksproces. (1) De fabricage van het substraat op één groot substraat. (2) De verwerking van het enkele substraat door het aanbrengen van het perovskiet. (3) De geautomatiseerde meting en gegevensanalyse. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

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

De details van de reagentia en de apparatuur die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.

1. Fotolithografie

  1. Reiniging van de ondergrond
    1. Neem een glassubstraat van 50 mm bij 50 mm en sonificeer het gedurende 10 minuten in isopropanol (IPA), gevolgd door drogen met een stikstofpistool. Herhaal met aceton.
    2. Plaats het substraat na droging in een zuurstofplasma onder lage druk (5 min, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W).
      OPMERKING: Deze procedure is de standaard reinigingsprocedure en is bedoeld om te worden herhaald wanneer in de volgende tekst wordt gesproken over schone ondergronden.
  2. Poort lithografie
    1. Plaats het gereinigde substraat op een spin coater en pipetteer 600 μL fotoresist op het midden van het substraat. Start de spin coater (60 s, 4000 rpm, 2000 acc, 3,5 μm).
    2. Breng het substraat over op een voorverwarmde kookplaat voor het bakken voor het belichtingen (60s, 110 °C). Breng het substraat na afkoeling over naar de maskerloze fotolithografiemachine voor belichting (15 mW, 75%, 1 x 1).
    3. Plaats het volledig blootgestelde substraat op een voorverwarmde kookplaat voor het bakken na de belichting (70 s, 110 °C).
    4. Ontwikkel de fotoresist in de ontwikkelaar gedurende 90 s, spoel af met water en droog af met een stikstofpistool.
  3. Gate Cu verdamping
    1. Breng het substraat over naar een zuurstofplasma onder lage druk (5 min, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W).
    2. Plaats het substraat in een verdampingskamer. Verdamp eerst 5 nm Cr, gevolgd door 50 nm Cu. Haal het substraat uit de verdampingskamer, dompel het onder in de remover en sonificeer gedurende 30 minuten bij 50 °C.
  4. Atomaire laagafzetting (ALD) van Al2O3
    1. Reinig de ondergrond. Breng het substraat over in de ALD-machine. Voer het Al2O3-recept uit voor 800 cycli, wat resulteert in een 100 nm-laag van Al2O3.
      OPMERKING: De ene cyclus bestaat uit een trimethylaluminium van 35 ms gevolgd door een H 2O-pulsvan 250 ms. De kamertemperatuur voor de eerste 25 cycli is 100 °C en voor de volgende 775 cycli 200 °C.
  5. Bron / afvoer lithografie
    1. Reinig de ondergrond. Breng fotoresist aan op de ondergrond zoals beschreven in stap 1.2.
    2. Lijn het substraat uit met de markeringen van de eerste lithografielaag in de fotolithografiemachine voor de belichting. Belichten, bakken na belichting en ontwikkelen volgens stap 1.2.
  6. Bron/afvoer Au verdamping
    1. Breng het substraat over naar een zuurstofplasma onder lage druk (5 min, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W). Plaats het substraat in een verdampingskamer. Verdamp eerst 5 nm Cr, gevolgd door 50 nm Au.
    2. Verwijder het substraat uit de verdampingskamer, dompel het onder in een fotoresiststripper en sonificeer gedurende 30 minuten bij 50 °C.
  7. Het substraat in blokjes snijden
    1. Reinig de ondergrond. Breng fotoresist aan met behulp van de spin coater (60 s, 4000 rpm, 2000 acc, 3,5 μm). Plaats het substraat op een hete plaat (5 min, 110 °C).
    2. Breng het substraat over op de waferzaag en snijd het in substraten van 10 mm x 10 mm. Verwijder de fotoresist door 30 minuten te soniseren bij 50 °C in de remover (Figuur 2).

figure-protocol-1
Figuur 2: Schematische weergave van het fabricageproces van de ondergrond van 5 cm x 5 cm. Dit omvat de volgende fotolithografiestappen, gevolgd door het in blokjes snijden op substraten van 1 cm x 1 cm (A). Afbeeldingen van de uiteindelijke transistorsubstraten met 4 apparaten met en zonder perovskietlaag en van een condensatorsubstraat (B). Per batch wordt één condensatorsubstraat vervaardigd om de diëlektrische constante van de Al2O3-laag te meten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Spin-coating van de perovskietlaag

OPMERKING: Vanaf hier worden alle volgende stappen uitgevoerd in een dashboardkastje vanwege de luchtgevoeligheid van de perovskietlaag.

  1. Voorbereiding van de oplossing
    1. Bereid de precursoroplossing 1 dag voor het centrifugeren voor.
    2. Weeg af in 150 mg SnI2 en los op in 1398 μL DMF. Weeg af in 125 mg CsI en los op in 1203 μl van de SnI2-oplossing . Weeg af in 15 mg PbI2 en los op in 1017 μl van de CsSnI3-oplossing , wat resulteert in een 0,4 M-oplossing van Cs(Sn0,9Pb0,1)I3 met een overmaat Cs ten opzichte van Sn + Pb van 1,25:1. Weeg 6 mg SnF2 af en los op in 1000 μL DMF.
    3. Schud de bereide oplossingen een nacht bij 60 °C.
  2. Spin coating
    1. Voeg 765 μl van de bereide SnF2-oplossing toe aan de 1017 μl Cs(Sn0,9Pb0,1)I3-oplossing vlak voor het centrifugeren. Plaats het substraat in de spincoater.
    2. Pipetteer 20 μL van de bereide precursoroplossing in het midden van het substraat. Start de spin coater (150 s, 4000 tpm, 1000 acc, 40 nm). Gloei de spin-coated substraten 5 minuten af bij 120 °C.
  3. Scheiden van de apparaten
    1. Op elk substraat bevinden zich vier apparaten, die moeten worden gescheiden om kruisinteractie te voorkomen. Neem een wattenstaafje, dompel het in DMF en neem een substraat van de kookplaat.
    2. Teken met het wattenstaafje op het nog hete substraat rond de afzonderlijke apparaten en scheid de perovskietlaag. Verwijder de perovskietlaag op dezelfde manier van alle contactkussens.

3. Karakterisering

  1. Hardware instellen
    1. Plaats het substraat ondersteboven in het meetbord en zorg ervoor dat de contactpads van de juiste apparaten zijn uitgelijnd met de overeenkomstige pennen op het meetbord (Afbeelding 3).
    2. Verbind het meetbord met de multiplexer. Sluit de multiplexer aan op de SMU van de parameteranalysator via twee coaxkabels, één voor het poortcontact en één voor de bron-/afvoercontacten, die de bron verbinden met de SMU en de afvoer met massa.
  2. Software instellen
    1. Zorg ervoor dat alle kabels op de juiste manier zijn aangesloten. Schakel de parameteranalysator in en start de besturingssoftware als beheerder.
    2. Configureer de meting door te definiëren hoeveel meetborden zijn aangesloten op de multiplexer en geladen zijn met een substraat. Definieer de namen/identifiers voor de substraten en het aantal apparaten dat gekarakteriseerd moet worden.
    3. Configureer de afvoer voor alle metingen als een gemeenschappelijke massa. Configureer voor overdrachtsmetingen een lineaire spanningsbereik aan de poort van 25 V tot -30 V, met een spanningsstap van -0,1 V. Configureer de bron als constante bias met respectievelijk 1 V, 10 V en 30 V.
    4. Configureer voor de uitgangsmetingen spanningsstappen aan de poort van -30 V tot 10 V, met een stapgrootte van 10 V.
    5. Configureer een lineaire spanningsbereik bij de bron van 0 V tot -30 V, met een stapgrootte van 0,5 V. Voordat u met de meting begint, stelt u het bron- en poortstroombereik in op beperkt automatisch met een limiet van 1 nA.
  3. Meting
    1. Druk op Uitvoeren op de software-interface en de meting begint. De multiplexer schakelt door de vooraf gedefinieerde apparaten en de parameteranalysator voert de geconfigureerde tests uit.
      OPMERKING: Wanneer de meting is voltooid, kunnen de gegevens direct in de besturingssoftware van de parameteranalysator worden bekeken en worden geëxporteerd als xlsx-bestanden.
  4. Gegevens exporteren
    1. Exporteer de meetgegevens als xlsx-bestanden. De bestandsnaam moet het batchnummer bevatten, evenals de substraatnummers en de bron-afvoerbias voor de overdrachtsmetingen.
      OPMERKING: Als bijvoorbeeld de substraten 1 tot en met 5 van de eerste batch zijn gemeten, krijgt het uitvoergegevensbestand de naam "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Output.xlsx". Dit betekent dat substraat 1 in het eerste meetbord is geplaatst, substraat 2 in het tweede meetbord, enzovoort. Het bijbehorende overdrachtsgegevensbestand krijgt de naam "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Transfer_10V.xlsx", als de overdracht is gemeten bij een bron-afvoerafwijking van 10 V. Er is ook een logbestand in de bestandsverkenner, dat informatie bevat over welke gegevens overeenkomen met welk apparaat.

figure-protocol-2
Figuur 3: 3D-model van de opstelling van het meetbord. (A) Visualisatie van het plaatsen van een substraat in het meetbord. (B) Pin-array op het meetbord met en zonder een geladen substraat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

4. Gegevensanalyse

  1. Geautomatiseerde data-analyse
    1. Breng het xlsx databestand en het logbestand over naar de gewenste computer en plaats de bestanden in de map "Data". Voer het Python-script uit Auto_Data_analysis.py (aanvullend bestand 1).
      OPMERKING: Het script vraagt om de identificatiegegevens van de substraten en of er meerdere overdrachtsmetingen zijn uitgevoerd bij verschillende bron-/afvoerspanningen. Als er meerdere overdrachtsmetingen zijn uitgevoerd, vraagt het script om de waarden van de bron-/afvoerspanningen. Nadat alle benodigde informatie is ingevoerd, doorloopt het script de gegevens en maakt het een map met de naam "Plots". Voer de map "Plots" in, die twee mappen bevat, "Kort" en "Werk". De map "Kort" bevat de plots van apparaten die niet goed functioneerden, en de map "Werkend" bevat de plots van de werkende apparaten. Voer de map "Werkend" in, daarin bevinden zich PNG-bestanden die zijn vernoemd naar de bijbehorende apparaten en een overzicht tonen van alle uitvoer- en overdrachtsplots, evenals de meetconfiguratie en berekende prestatieparameters.
  2. Gegevenspool
    1. Zorg ervoor dat het Python-script ook één tekstbestand maakt voor elke batch en één gecombineerd tekstbestand voor alle apparaten, dat metadata bevat zoals experimentele variabelen en prestatieparameters, en kan worden gebruikt om de gegevens te analyseren met afzonderlijke software voor gegevensanalyse.

Resultaten

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

Om de fabricagemethode voor de bodempoort- en bodemcontactsubstraten te valideren en ervoor te zorgen dat de hele stapel van de architectuur goed functioneert na de daaropvolgende lithografiestappen en het in blokjes snijden van het grote glassubstraat, ondergaan alle apparaten een kwaliteitscontrole. Na het in blokjes snijden en voordat de perovskietlaag wordt aangebracht, worden alle substraten van de batch in de meetopstelling geplaatst. Tussen de bron- en afvoercontacten wordt 10 V toegepast en de poort wordt geveegd van -40 V naar 30 V. Het testbereik wordt gekozen op basis van het interessebereik voor de PeFET's waarvoor de substraten zullen worden gebruikt. De maximale stroom die bij het poortcontact wordt gemeten, wordt geregistreerd en geëvalueerd. Elk apparaat met een maximale poortstroom kleiner dan 1 x 10-7 A wordt onder deze testomstandigheden als goed beschouwd. Figuur 4 toont een voorbeeld van een dergelijke kwaliteitscontrole. Slechts 6 van de 96 apparaten slagen niet voor de kwaliteitscontrole, waarbij 2 van de 6 volledig kort zijn. Het hoge rendement van functionerende apparaten toont aan dat de architectuur van het apparaat stabiel genoeg is om de spanning van het in blokjes snijden te weerstaan en zorgt voor tijdwinst in vergelijking met een proces waarbij afzonderlijke substraten worden verwerkt.

figure-results-1
Figuur 4: Voorbeeldig resultaat van een kwaliteitscontrole aan het einde van het fabricageproces van de ondergrond. De matrix toont de maximaal gemeten poortstroom in ampère tijdens de kwaliteitscontrole voor 24 substraten van één batch, met elk 4 apparaten. De groene apparaten komen door de kwaliteitscontrole. In dit voorbeeld hebben 6 van de 96 apparaten de kwaliteitscontrole niet doorstaan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

PeFET's op basis van een Cs(Sn0,9Pb0,1)I3 perovskiet werden gefabriceerd en gemeten met behulp van de geautomatiseerde meetopstelling. In de gebruikte opstelling werden 5 meetborden, met de mogelijkheid om elk 4 PeFET's aan te sluiten, aangesloten op een multiplexer, die was aangesloten op een parameteranalysator. Maakt de geautomatiseerde meting van maximaal 20 PeFET's mogelijk. De apparaten hadden een kanaallengte van 150 μm en een kanaalbreedte van 1 mm. Zowel de poort- als de bron-afvoercontacten werden vervaardigd met behulp van maskerloze fotolithografie, waardoor een nauwkeurige controle over de grootte van de poortelektrode mogelijk was. Door het contactoppervlak van de poort te minimaliseren, wordt de overlapping tussen de perovskietlaag en de poort verminderd. Dit verkleint de kans op defecten in het diëlektrische gebied tussen het perovskiet en de poort, wat anders tot kortsluiting zou kunnen leiden. Alle metingen werden uitgevoerd in een met N2 gevuld dashboardkastje. Met behulp van het gegevensanalysescript wordt een snel overzicht van de parameters van de apparaatsleutels gegenereerd. Figuur 5 toont een screenshot van de automatisch gegenereerde plots van de overdrachts- en uitvoerkarakteristieken zoals hieronder beschreven. In dit voorbeeld werden drie verschillende bron-/afvoerspanningen gemeten voor de overdrachtskarakteristiek (A, B, C), om ten minste één meting in het lineaire regime en één meting in het verzadigingsregime te verkrijgen. Het script analyseert eerst de uitvoerkarakteristiek en extrapoleert de lineaire en verzadigingsregimes van een lineaire fit naar de uitvoercurven (1). Het lineaire regime wordt gemarkeerd door de rode achtergrond en het verzadigingsregime door de blauwe achtergrond. Omdat er meerdere methoden zijn om de drempelspanning te bepalen, wat kan leiden tot aanzienlijk verschillende resultaten voor FET's met niet-ideale eigenschappen, bepaalt het script de drempelspanning op drie verschillende manieren. De eerste drempelspanning wordt berekend op basis van de uitgangskarakteristiek (1) door de grens tussen het lineaire en het verzadigingsregime te bepalen. De tweede drempelspanning wordt geëxtrapoleerd door de vierkantswortel van de bron-/afvoerstroom uit te zetten tegen de poortspanning (4) en lineair aan te passen aan het verzadigingsregime. Het snijpunt van de lineaire fit met de x-as bepaalt de drempelspanning. Analoog wordt de drempelspanning in het verzadigingsregime bepaald door de grafiek van de bron-/afvoerstroom lineair aan te passen aan de poortspanning (3) en de kruising van de x-as te bepalen. De ladingsdragermobiliteit voor het verzadigings- en lineaire regime wordt berekend op basis van de hellingen van de overeenkomstige lineaire passingen. De laatste grafiek die wordt getoond is de overdrachtskarakteristiek op een logaritmische schaal (2). In deze grafiek wordt het punt van de maximale helling bepaald om de schommeling onder de drempel te berekenen. De grafieken (1) en (3) tonen ook de corresponderende poortstroom op een tweede y-as met een aangepast bereik, waardoor het gemakkelijk is om snel het niet-ideale gedrag van de poortstroom te zien.

Zoals weergegeven in afbeelding 5, zijn alle berekende prestatieparameters en de meetinstellingen verzameld in een tabel voor elke bron-/afvoerspanning. Bovendien worden alle lineaire pasvormen in de grafieken weergegeven, waardoor snel kan worden gecontroleerd of de pasvormen verstandig zijn. Bijvoorbeeld, in de overdrachtsgrafiek op een logaritmische schaal voor -1 V (A2), heeft het script duidelijk niet het werkelijke punt van de maximale helling bepaald en onderschat daarom de subdrempelschommeling van het apparaat. Om het punt van de maximale helling te vinden, bepaalt en snijdt het script eerst het luidruchtige deel van de plot af. Omdat het echte punt van de maximale helling in dit geval heel dicht bij het luidruchtige deel van de plot ligt, snijdt het script het ten onrechte af, wat aantoont dat verdere verfijning van het script nodig is. Desalniettemin geeft het script een snel en eenvoudig overzicht van de prestaties van het apparaat en maakt het de vergelijking tussen verschillende apparaten mogelijk.

figure-results-2
Figuur 5: Automatisch gegenereerd visueel overzicht van de prestatiegegevens van een PeFET. De gegevens voor drie verschillende bron-/afvoerspanningen tijdens de overdrachtsmeting worden weergegeven (A: -1 V, B: -10 V, C: -30 V). Voor elke bron-/afvoerspanning worden de uitgangsgrafiek (1), de overdrachtsgrafiek op een logaritmische schaal (2), de overdrachtsgrafiek op een lineaire schaal (3) en de vierkantswortel van de overdrachtsgrafiek op een lineaire schaal (4) weergegeven. De grafieken (1) en (3) geven bovendien de overeenkomstige poortstroom weer op een secundaire y-as met een passend bereik. Dit maakt een eenvoudige identificatie van niet-ideaal gedrag in de poortstroom mogelijk. De tabellen naast de grafieken zijn de geëxtrapoleerde en berekende prestatieparameters en de meetinstellingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Naast het visuele overzicht dat in figuur 5 wordt getoond, worden de prestatieparameters ook opgeslagen in een tabelvorm in een tekstbestand. De experimentele gegevens worden ook in zo'n bestand opgeslagen. Dit kan worden gebruikt om de gegevens in alle beschikbare software voor gegevensanalyse te vergelijken, waardoor het gemakkelijk wordt om prestatietrends in de loop van de tijd te zien of verbanden te vinden tussen experimentele variabelen en prestatieparameters.

Aanvullend bestand 1: Python-script forAuto_Data_analysis.py. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussie

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

Het gepresenteerde high-throughput-proces voor de fabricage en karakterisering van PeFET's biedt een schaalbare en flexibele benadering voor het verkennen van nieuwe perovskietsamenstellingen. Door fotolithografie voor nauwkeurige substraatfabricage te integreren met een geautomatiseerde meting en gegevensanalyse, verbetert de methode de experimentele efficiëntie aanzienlijk13,14. Een van de belangrijkste voordelen van deze aanpak is de mogelijkheid om snel systematisch gestructureerde datasets te genereren en te vergelijken, wat cruciaal is in de zoektocht naar geoptimaliseerde PeFET-prestaties15,16.

Een cruciale stap in deze methode is de op fotolithografie gebaseerde fabricage van transistorsubstraten. Vergeleken met traditionele schaduwmaskermethoden biedt fotolithografie een superieure patroondefinitie en flexibiliteit in de lay-out van het apparaat21. Dit voordeel is met name relevant in fundamenteel onderzoek, waar kleine wijzigingen in de apparaatarchitectuur nodig kunnen zijn tussen batches of zelfs binnen een enkele experimentele iteratie. Hoewel schaduwmaskermethoden over het algemeen eenvoudiger en tijdbesparend zijn in vergelijking met fotolithografie, kunnen deze beperkingen worden overwonnen door te beginnen met een groot substraat, dat uiteindelijk in blokjes wordt gesneden, waardoor het aantal benodigde lithografieruns wordt verminderd en de fabricagetijd met 75% wordt verkort voor 24 substraten. De kwaliteitscontrole van het substraat na het in blokjes snijden valideerde de stabiliteit van de substraten om de extra belasting te weerstaan13.

De integratie van een multiplexer met aangepaste meetborden vereenvoudigt en versnelt het karakteriseringsproces, waardoor de evaluatie van maximaal 20 apparaten met maximaal 5 verschillende perovskietsamenstellingen in één run mogelijk is13,17.

Tot slot zorgt de geautomatiseerde data-analyse voor een efficiënte verwerking en interpretatie van experimentele resultaten. Door systematisch belangrijke prestatieparameters te extraheren, zoals de mobiliteit van de ladingsdrager, de drempelspanning en de schommeling onder de drempel, maakt de methode een snelle vergelijking van verschillende perovskietformuleringen en verwerkingsomstandigheden mogelijk. Een uitdaging ligt echter in de gevoeligheid van het analysescript voor niet-ideaal apparaatgedrag. Ondanks deze beperkingen biedt de gepresenteerde methodologie een krachtig en flexibel hulpmiddel om snel een breed scala aan prestatiestatistieken te verzamelen, waardoor systematische optimalisatie van materialen en verwerkingsomstandigheden met hoge efficiëntie mogelijk wordt19,20.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk is uitgevoerd in het kader van het Joint Lab GEN_FAB en met ondersteuning van het Helmholtz Innovation Lab HySPRINT.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
µPG 101Heidelberg Instrumentsfotolithograaf
AcetonRoth5025.2
AZ 2026 MIFMicroChemicals1002026ontwikkelaar
AZ nLOF 2027MicroChemicals1A002070fotoresist
CsITCIC2205
DMFRothT921.1
Femto plasmaDienerlagedrukplasma
GEMStarXTArradiance ALD
IsopropanolRothCN09.1
Keithley 4200A-SCSTektronixparameteranalysator
LabSpin6SUSS MicroTecspin coater
PbI2TCIL0279
SnF2Thermo Scientific ChemicalsAC308600050
SnI2TCIT3449
TechniStrip NI555MicroChemicalsTNI555M5lift off
TrimethylaluminiumStrem93-1360

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew Chem Int Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
  2. Liu, C., et al. Bimolecularly passivated interface enables efficient and stable inverted perovskite solar cells. Science. 382 (6672), 810-815 (2023).
  3. Green, M. A., et al. Solar cell efficiency table (Version 63). Prog. Photovolt: Res. Appl. 32 (1), 3-13 (2024).
  4. Yoshikawa, K., et al. Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26%. Nat Energy. 2, 17032(2017).
  5. Best research-cell efficiencies. , NREL. accessed 01 https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (2025).
  6. 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).
  7. Lin, K., et al. Perovskite light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 20 percent. Nature. 562, 245-248 (2018).
  8. 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).
  9. Schröder, V. R. F., et al. large area, inkjet-printed metal halide perovskite light emitting diodes. Mater. Horiz. 11, 1989-1996 (2024).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Chen, Q., et al. Under the spotlight: The organic-inorganic hybrid halide perovskite for optoelectronic applications. Nano Today. 10 (3), 355-396 (2015).
  13. Liu, A., et al. High-performance inorganic metal halide perovskite transistors. Nat Electron. 5, 78-83 (2022).
  14. Matsushima, T., et al. Solution-processed organic-inorganic perovskite field-effect transistors with high hole mobilities. Adv. Mater. 28 (46), 10275-10281 (2016).
  15. Senanayak, S. P., et al. Understanding charge transport in lead iodide perovskite thin-film field-effect transistors. Sci. Adv. 3 (1), e1601935(2017).
  16. Yusoff, A. R. bM., et al. Ambipolar triple cation perovskite field-effect transistors and inverters. Adv. Mater. 29 (8), 1602940(2017).
  17. Liu, A., et al. Antimony fluoride (SbF3): A potent hole suppressor for tin(II)-halide perovskite devices. InfoMat. 5 (1), e12386(2023).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Park, G., et al. High-performance tin perovskite transistors through formate pseudohalide engineering. Mater Sci Eng R. 159, 100806(2024).
  21. 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).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Perovskiet FET shigh throughput onderzoekgeautomatiseerde metingveldeffecttransistorenapparaatkarakteriseringfotolithografische patroonvormingperovskietcompositiesmultiplexermetingdunnefilmtransistorendata analyse
Video binnenkort beschikbaar

Gerelateerde artikelen