基于氧化物纳米材料光电器件的构筑及性能研究

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现代信息社会快速发展,并迎来大数据时代,传统通讯技术手段需要革新,以满足超高计算速度、超大传输容量、超远传输距离等新要求。这也对构成通讯系统的主体光电器件提出来新的要求,如高响应度、高速度、低能耗等,而传统器件很难达到这些新要求。鉴于此,本论文尝试运用纳米技术改良传统光电器件的性能,以满足发展需要。主要研究手段是通过构筑不同的氧化物纳米结构器件,以探究器件的光电性能,并尝试开发新型的自驱动型和发光型光电探测器。第一部分为了满足一些短波长光电器件的快速响应需求,使用Ga掺杂和双氧水(H2O2)双重处理改良ZnO纳米棒,以获得更快响应速度的紫外探测器。首先,采用水热法进行Ga掺杂,即将Ga(NO33掺入ZnO纳米棒的生长前驱液中。研究发现,随着Ga掺杂比例的增加,Ga ZnO纳米棒外貌趋向于六棱柱,晶粒尺寸增加,且导电性能提高。其次,通过使用双氧水对Ga ZnO纳米棒进行处理,在Ga ZnO纳米棒表面形成了一层富Zn空位的高阻层,它促使ZnO/Au接触类型从欧姆接触转变为肖特基接触。最终,经此处理后,探测器的暗电流更低且响应速度更快。第二部分制备基于TiO2/CH3NH3Pb I3异质结的自驱动光电探测器。为了满足紫外探测的需要,采用TiO2纳米棒阵列作为钙钛矿的支架层,将钙钛矿探测器的光谱响应区域由可见光扩展到紫外。TiO2纳米棒阵列由水热法制得,金属卤化物钙钛矿CH3NH3Pb I3由两步法制得,最终构筑TiO2/CH3NH3Pb I3异质结器件。在无外加偏压的情况下,在364 nm和494 nm波长处的响应度分别为0.26 A/W和0.85 A/W。同时,发现该器件光伏性能良好,其短路电流为17.83 m A/cm2,开路电压达到0.76 V,并获得了6.95%的太阳能电池效率。由于TiO2/CH3NH3Pb I3异质结之间的内建电场作用,即使在无加偏压时,光生电子-空穴对也能被分离,实现自驱动式光探测。这一工作,在能源危机的时代,为此种自驱动光电探测器提供了巨大的应用前景。第三部分利用ZnO空心微米球/金属卤化物钙钛矿CsPbBr3异质结实现新型的发光型光电探测器。本部分为一个器件同时实现电致发光与光探测两种功能,即发光型光电探测器。我们采用水浴法在FTO玻璃上生长ZnO空心微米球作为紫外响应中心,并使用两步法制备金属卤素钙钛矿CsPbBr3作为电致发光中心,最后组装成ZnO空心微米球/金属卤化物钙钛矿CsPbBr3/Ga N结构。由于ZnO空心球具有优越的紫外光捕捉特性,该器件表现出一个优良的紫外响应,其开关比和探测度分别高达16527和2.4×1013Jones。此外,由于CsPbBr3中间层的存在,该器件发射绿光的阈值电压较低。与传统的ZnO/Ga N结构器件相比,插入CsPbBr3后接触界面得到较好的改善,该器件通过钙钛矿界面层的调控,能够实现器件在不同波长发光。此将发光区和光敏区分开的结构,避免了载流子运输的矛盾,为高性能双功能器件提供了新的获取途径。这类可同时进行发光与探测的器件,在光通讯方面具有较大的应用潜力。
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