自驱动钙钛矿光电探测器的研究

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光电探测是获取光子信息的重要手段,被广泛应用于各种领域。随着科技的不断发展,具有能耗低、结构简单等优点的自驱动光电探测器受到研究人员的广泛关注。近年来,新型钙钛矿材料由于其优异的光电性能而被应用于光电探测器,并显著提高了器件的响应性能。基于钙钛矿材料的自驱动光电探测器在光电探测领域展现出巨大的潜力。目前为实现高性能自驱动光电探测,材料合成、器件结构等在实验上被广泛地研究。另一方面,深入理解光电响应的基本光学、电学内在物理对提升器件响应性能是至关重要的,然而此方面的工作却鲜有报道。此外,丹倍效应被认为是实现自驱动光电探测的一种潜在机制,但由于观察基于丹倍效应的自驱动探测具有挑战性,这一进展较为缓慢。针对这些问题,本论文对自驱动光电探测器进行系统全面地研究。本论文的主要内容概况如下:(1)通过有限元法(FEM)将电磁响应与半导体载流子动力学结合,研究金属接触类型、金属功函数、半导体掺杂浓度等对肖特基结型光电探测响应性能的调控机理,实现高性能自驱动钙钛矿光电探测。研究表明,随着两端金属电极功函数差值的增大,光电探测器光电流不断增加;钙钛矿掺杂浓度的增大则会降低自驱动光电探测器短路电流和开路电压。通过光电优化设计,在零偏压下金/银肖特基接触的甲胺基碘化铅(MAPbI3)自驱动光电探测器在300-750 nm波段具有良好的宽光谱响应,尤其在700 nm波长光照下,具有0.35 A/W的高响应度,5×1010 Jones的比探测率,展现出优异的光电性能。(2)针对丹倍效应自驱动光电探测器,以MAPbI3为基础,对探测器进行了理论解析、数值模拟和实验制备与测试。通过探究丹倍效应激发条件和自驱动光电探测器的光电响应,器件级的光电模拟结果与理论预测良好的吻合。通过对电极接触情况的系统性比较,分析了丹倍效应产生条件。仿真结果表明,该自驱动光电探测器具有较大的光谱响应范围(300-750 nm),且在零偏压时探测器在500nm波长光照下具有3.8 A/W的响应率,3.5×109 Jones的比探测率和0.15 μs的超快响应时间,展现出优异的光电性能。最后,在实验上测试出丹倍电流,通过实验制备验证了丹倍效应能够实现自驱动效应。本研究通过利用丹倍效应实现高性能的自驱动光电探测,为自驱动探测提供了一个有潜力的新方向。
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