Elektrostatische afstemming van fotoluminescentie in all-solid-state perovskiettransistoren

Samenvatting

Wij presenteren een volledig vaste-stof halfgeleiderapparaat, gebaseerd op epitaxiale enkelkristallijne metaalhalide-perovskieten, dat een reversibele controle van de fotoluminescentie van een perovskiet mogelijk maakt met behulp van een gatespanning. Fundamenteel verschillend van elektroluminescente diodes, gebruikt een dergelijke fotoluminescentie-veldeffecttransistor het elektrische veld van de gate om de interfaciale dichtheid van mobiele ladingen elektrostatisch te moduleren, waardoor de radiatieve en niet-radiatieve recombineatiekanalen van fotodragers worden beïnvloed. Het variëren van de gatespanning in dergelijke transistoren verandert efficiënt de snelheid van niet-radiatieve interfaciale recombinatie en moduleert de fotoluminescentie-intensiteit met 65 tot 98 procent (afhankelijk van de temperatuur). Onder gunstige gate-omstandigheden kan een bijna volledige eliminatie van niet-radiatieve verliezen worden bereikt. Deze functionaliteit, gecombineerd met de sterke absorptie en emissie in het zichtbare spectrum – mogelijk gemaakt door de hoge absorptiecoëfficiënt, evenals de controleerbare dikte en macroscopisch homogene morfologie van epitaxiale perovskietfilms – leidt tot hoge externe fotoluminescentie-kwantumrendementen in dunne-filmapparaten met een groot oppervlak. Dergelijke hoogrendement, schaalbare, elektrostatisch afstembare opto-elektronische schakelaars verbreden de potentiële toepassingen van metaalhalide-perovskieten in de fotonica en opto-elektronica.

English

We demonstrate an all solid state semiconductor device, based on epitaxial single crystalline metal halide perovskites, enabling reversible control of a perovskite photoluminescence with a gate voltage. Fundamentally distinct from electroluminescent diodes, such a photoluminescence field effect transistor uses the gate electric field to electrostatically modulate the interfacial density of mobile charges, thereby affecting the radiative and nonradiative recombination channels of photocarriers. Varying the gate voltage in such transistors efficiently changes the rate of nonradiative interfacial recombination and modulates the photoluminescence intensity by 65 to 98 percent (depending on temperature). At favorable gating, nearly complete elimination of non-radiative losses can be achieved. This functionality, coupled with the strong visible-range absorption and emission, possible due to the high absorption coefficient, as well as controllable thickness and macroscopically homogeneous morphology of epitaxial perovskite films, leads to high external photoluminescence quantum efficiencies realized in large-area, thin-film devices. Such high-efficiency, scalable, electrostatically tunable optoelectronic switches broaden the potential applications of metal-halide perovskites in photonics and optoelectronics.