基于有机半导体和钙钛矿的高性能宽光谱光探测器研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 8次 | 上传用户:supermilk009
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随着电子科技的高速发展,光电子产品在人类社会中扮演的角色越来越重要,普遍应用于社会生活、工业生产和科学研究的各个领域。其中,光探测器作为光电子器件成员之一,为光电子领域做出了巨大贡献,尤其是宽光谱光探测器在各类光探测应用中起着举足轻重的作用。基于传统无机半导体的宽光谱光探测器已经发展的相当成熟,成为现代光电子产业的重要支柱。然而,基于无机半导体的宽光谱光探测器也存在不足的地方,如价格昂贵、制备过程复杂、资源消耗大、机械柔性差等诸多方面,不能满足光探测器在新型应用背景下日益增长的需求。于是,具备价格便宜、制备容易、种类繁多、柔性衬底兼容性好等优势的有机半导体和有机-无机杂化钙钛矿引起了广泛的关注。因此,我们开发了新一代基于有机半导体和有机-无机杂化钙钛矿活性材料的宽光谱光探测器,主要从三个方向成功构筑了高性能的宽光谱光探测器:首先,光敏场效应管具有栅压调制功能,可放大光信号从而获得高的光敏性能,但是基于全有机活性层的宽光谱光敏场效应管的报道甚少。我们采用高迁移率的富勒烯C60作为光敏场效应管的沟道层,采用具有互补吸收光谱的三层异质结构C60/PTCDA/SnPc作为光敏层,通过沟道优化成功研制了基于全有机活性层的宽光谱光敏场效应管。利用沟道层和光敏层的高效协同作用,在300-1000 nm光谱范围内获得了高达56.88 A/W光响应度和9.15×1012 Jones的比探测率,从而实现了高性能的紫外-可见-近红外宽光谱光探测。而且,用体异质结替换平面异质结光敏层,进一步提升了光探测性能。接着,光敏二极管具有大的光线开口率、快的响应速度和低的驱动电压等优势。相比于多层结构器件,双层结构光敏二极管寄生电容小,有利于响应速度提升。而由于有机-无机杂化钙钛矿薄膜表面覆盖度低、泄露电流太大而难以构筑少层垂直结构钙钛矿光敏二极。我们采用聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰有机-无机杂化钙钛矿(MAPbI3)薄膜,通过优化PVP的浓度获得了最佳性能的钙钛矿薄膜,再结合近红外敏感的有机半导体酞菁铅(PbPc)形成异质结,成功构筑了简单双层垂直结构宽光谱光敏二极管。在紫外-可见-近红外光谱范围,光谱均匀因子高达0.77,光响应度超过10 A/W,响应时间小于0.46 ms。最后,光电导探测器是一种无极性两端光探测器,随着外加电压的增大可实现光电导增益,然而却伴随着增大的噪声。我们采用紫外-可见光吸收的有机-无机杂化钙钛矿MAPbI3和近红外吸收的有机半导体酞菁锡(SnPc)作为活性层材料,构建了横向结构宽光谱光电导探测器。通过优化SnPc层在器件中位置,确立了最佳配置的器件结构,获得了低至0.01 nA的超低皮安级暗电流和高达105的超高光敏性。而且,通过MAPbI3/SnPc异质结构增强了器件性能,并将光响应延伸到980 nm波长,从而成功开发了超高光敏性的紫外-可见-近红外宽光谱光电导探测器。总之,我们结合时代发展的需求,聚焦新一代光电子产品的优势,探索通过有机半导体和有机-无机杂化钙钛矿作为活性层构建宽光谱响应光探测器,成功实现了高性能的紫外-可见-近红外超宽光谱光探测,为以后新型光探测器的发展铺垫了道路。
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