Неорганический полупроводник из йодида меди р-типа (CuI) является ведущим кандидатом на использование таких материалов для переноса отверстий в фотоэлектрических устройствах. В этом материале врожденные дефекты приводят к дисбалансу заряда и появлению свободных носителей заряда. Однако общее количество дефектов, как правило, слишком мало для удовлетворительной работы устройства.

Добавление примесей с акцепторными (положительно заряженными) или донорными (отрицательно заряженными) свойствами, известное как "примесное легирование", является золотым стандартом для улучшения транспортных свойств полупроводников и производительности устройства. В обычных способах в качестве таких примесей использовались ионы с более низкой валентностью, чем составляющие атомы. Однако в полупроводниках на основе Cu(I) нет иона с валентностью ниже, чем у одновалентных ионов меди (нулевая валентность), и, таким образом, легирование p-типа в соединениях меди не установлено.

Чтобы предложить новую конструкцию легирования носителя для легирования p-типа в CuI, исследователи из Японии и США недавно сосредоточились на эффекте щелочной примеси, который был эмпирически использован для легирования дырок в одновалентных полупроводниках меди, оксиде меди (Cu₂O) и Cu(In,Ga)Se₂.

В новом подходе, изложенном в исследовании, опубликованном в Журнал Американского химического общества Команда, возглавляемая доктором Косуке Мацузаки из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, экспериментально продемонстрировала, что легирование p-типа примесями щелочных ионов, которые имеют ту же валентность, что и медь, но большего размера, может улучшить проводимость в полупроводниках на основе Cu (I). Теоретический анализ показывает, что сложные дефекты, состоящие из примеси щелочных ионов и вакансий ионов меди, являются источником образования дырок (проводимость p-типа).

Хотя известно, что примеси щелочных металлов увеличивают концентрацию носителя в оксиде меди, лежащий в основе механизм до сих пор оставался загадкой для ученых. Этот механизм теперь выяснен, как объясняет доктор Мацузаки: "Используя комбинацию экспериментальных исследований и теоретического анализа, нам удалось раскрыть влияние щелочных примесей в полупроводниках на основе Cu(I). Примесь щелочного металла Na взаимодействует с соседними ионами Cu в Cu₂O для образования дефектных комплексов. Комплексы, в свою очередь, приводят к появлению дыр".

Когда примесь добавляется в кристаллическую структуру, электростатическое кулоновское отталкивание между примесью и соседними ионами Cu выталкивает атомы Cu из их положений в структуре и приводит к образованию множества вакансий меди акцепторного типа. Это, в свою очередь, увеличивает общую концентрацию носителей р-типа и, следовательно, проводимость р-типа. "Наше моделирование показывает, что очень важно, чтобы примесь была несколько больше, чтобы свободные места в кристаллической решетке вызывали электростатическое отталкивание. Для щелочных примесей меньшего размера, например лития, ионы примесей попадают в промежуточные участки и недостаточно деформируют кристаллическую решетку", - уточняет доктор Мацузаки.

Основываясь на механизме легирования p-типа для образования комплекса вакансионных дефектов Cu акцепторного типа, команда исследовала более крупные щелочные ионы, такие как калий, рубидий и цезий (Cs), в качестве акцепторных примесей в ?-CuI. Среди них ионы Cs могут связывать еще больше вакансий Cu, что приводит к еще большей концентрации стабильных носителей заряда (10¹³ -- 10¹⁹ см^-3) как в монокристаллах, так и в тонких пленках, полученных из раствора. "Это говорит о том, что метод может быть использован для точной настройки концентраций носителей при низкотемпературной обработке для конкретных применений и устройств. Это открыло бы совершенно новый спектр применений для этих материалов p-типа", - заключает Мацузаки.

Действительно, разработка может стать крупным скачком вперед для полупроводников на основе меди (I) и вскоре может привести к их практическому применению в солнечных элементах и оптоэлектронных устройствах.