CsPbBr3基光电探测器的制备及其性能调控

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钙钛矿半导体材料以其易于制造和元素丰富等特点而成为下一代光电子学的首选材料。溶液处理的混合钙钛矿(ABX3,其中A=CH3NH3+或MA,HC(NH2)2+或FA;B=Pb+,Sn+;X=Cl-,Br-,I-)是最有前途的半导体,然而,基于A位的有机阳离子通常在湿气、氧气、光照和高温环境下会表现得极其不稳定。这是由于这种有机阳离子本身的内部不稳定性质所导致。因此,在A位用无机阳离子取代有机阳离子形成全无机钙钛矿可以克服其稳定性问题,不会恶化传输性能,并能保持器件的效率。因此,全无机钙钛矿,特别是CsPbBr3受到了相当大的关注。全无机卤化铅钙钛矿(Cs Pb X3)中的CsPbBr3是一种直接带隙半导体材料,并且具有吸光系数大、载流子迁移率高、扩散长度长等显著的光电性能,在太阳能电池、光电探测器、高能射线探测器、发光二极管等众多领域展示出良好的发展趋势;其次,CsPbBr3钙钛矿材料因其成本低廉和易于操作的溶液处理工艺以及在光电子器件中的潜在应用而备受研究人员的青睐。CdSe纳米带(NB)是一种直接带隙半导体材料,带隙为1.7 e V,并具有传输载流子等优异的光学特性;因此,其与高光子吸收的全无机钙钛矿层的结合可能为新型高性能光电子器件铺平道路。基于此,本文首先通过两种方法分别合成了CsPbBr3微米线阵列(MAs)和CsPbBr3微米线(MWs),并对其光电性能进行了系统研究。其次采用化学沉积(CVD)法生长了CdSe NBs,并构建了CsPbBr3MW/CdSe NB杂化光电器件,通过对杂化结构器件光电性能测试分析表明,相比单一的CsPbBr3器件,杂化器件表现出宽的光谱响应(从紫外到可见光)并且其光电性能有了较大的提升,最后,我们对杂化结构器件光电性能提升的微观物理机制进行了合理的解释。本文主要研究内容与结果如下:1.利用PDMS模板辅助法合成了高度有序且高结晶质量的大面积CsPbBr3MAs。扫描电子显微镜形貌表征、透射电子显微镜微观结构分析和X射线物相分析表明获得了高结晶质量的CsPbBr3 MAs;通过UV-vis和PL对CsPbBr3 MAs进行光学特性分析。然后使用电子束蒸发系统蒸镀电极制备CsPbBr3 MAs光电探测器件,并测试其光电性质。CsPbBr3 MAs光电探测器具有良好的开关比(9.02×10~3),高探测率为1.43×1011 Jones,高响应率为4.55 A/W,快速响应速度为4.9/3 ms。更重要的是,在空气中储存两个月后,光电探测器的光电流几乎没有变化,稳定性显著。本研究表明,CsPbBr3 MAs为制备大规模、高性能的光电器件提供了可能性。2.首先利用平面内自组装法合成了CsPbBr3微米线(MWs)。并对微米线样品进行了表征及所构成器件的光电性能进行了测试;其中,电流开关比为1.11×10~3,外量子效率为631.94%,探测率为2.9×1010 Jones,响应率为2.7 A/W。接着我们采用CVD法生长了CdSe NBs。利用扫描电子显微镜形貌表征和透射电子显微镜微观结构分析表明获得的CdSe NBs具有均匀的宽窄、光滑平整的表面,且为单晶。将制备好的CdSe NB转移到CsPbBr3 MWs上,制备形成CsPbBr3MWs/CdSe NB复合光电器件,并对复合器件的光电性能进行测试和分析。结果表明,复合器件的光谱响应范围(300-740 nm)相比单一CsPbBr3 MW(300-550 nm)器件明显拓宽。CsPbBr3 MWs/CdSe NB杂化光电器件的开关比高达5.02×10~4,是纯的CsPbBr3 MWs器件的45.5倍;在530 nm的单色光辐照下最大响应为1.63×10~3 A/W,是单根CsPbBr3 MWs器件的603.7倍;外量子效率为3.8×10~5%,是单根CsPbBr3 MWs器件的601.4倍;最后测得器件的上升和下降边缘分别为16 ms和34 ms。该杂化器件不仅拓宽了光谱响应范围,而且促进了载流子的有效分离,使器件的光电性能得到显著提升,为CsPbBr3基光电器件的开发及应用提供了有益的指导。
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