化学浴沉积法制备硫化铅薄膜光电特性与敏化工艺研究

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近红外(780-2526 nm)光电探测器因为特定环境下优于可见光的工作能力,在红外成像、安防监控、航空航天等领域有着广泛的应用。硫化铅材料具有探测波段合适、性能良好、可室温下工作等优点,是近红外光电探测领域中非常重要的一种半导体材料。目前已有多种成熟的PbS薄膜制备技术,其中化学浴沉积法因为具有可柔性成膜、成本低廉、操作简单、低温工艺等特点,在PbS薄膜制备领域受到广泛的关注。为了进一步提高化学浴沉积法PbS薄膜的光电性能,通常还需要使用材料复合、气氛掺杂等手段对薄膜进行敏化处理。PbS胶体量子点具有独特的尺寸效应、量子限域效应,与PbS薄膜能带、晶格适配性良好,是一种优良的半导体纳米晶敏化材料。本文在优化化学浴沉积PbS光敏薄膜和改进PbS量子点表面钝化工艺的基础上,通过使用量子点敏化工艺提高了PbS光敏薄膜的光电性能,并进一步地探讨了敏化工艺的敏化机理和对器件性能的影响规律。
  本文首先采用化学浴沉积法制备了不同硫脲浓度条件下的PbS光敏薄膜,同时借助多种表征手段和专用光电测试系统表征和测试了其微观特性及探测器性能参数,并进一步地研究了硫脲浓度对薄膜微观形貌和光电性能的影响。研究结果表明,硫脲浓度增高会导致薄膜厚度增加、晶粒尺寸减小和(200)晶面的择优生长。高硫脲浓度条件下制备的器件具有更优良的光电性能,在970nm光照条件下,其响应度和比探测率分别为39.18mA/W和1.81×1010Jones。
  量子点本身的光电性能和表面缺陷态密度极大地影响了敏化工艺的敏化效果,本文接下来探究了使用不同质量分数CTAB/PbI2配体的PbS量子点复合卤素钝化工艺及钝化后性能变化的机理。将经过钝化工艺后的量子点旋涂成膜并制备成光探器件,使用多种表征、测试手段表征器件的薄膜形貌和光电性能。器件性能对比结果表明,我们在10%CTAB/PbI2复合卤素配体钝化工艺下得到了最佳性能,其响应度和比探测率分别为160.10mA/W、1.15×1012Jones,同时我们还从暗电阻和光电增益两个角度分析了器件性能随CTAB质量分数非单调性变化的原因。
  本文最后使用PbS量子点对PbS光敏薄膜进行了敏化处理,通过在PbS光敏薄膜上旋涂不同浓度的量子点薄膜,制备了不同敏化工艺下的PbS光探器件。表征和测试结果显示,使用100mg/mL浓度量子点的敏化器件性能最佳,其响应度和比探测率分别为53333mA/W和8.02×1011Jones。相较于未敏化的器件,性能分别提高至1.22倍和3.02倍。进一步地,我们还通过界面能带结构和器件表面形貌两个方面解释了PbS薄膜敏化工艺的内在机理和量子点浓度对器件性能的影响规律。
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