利用PS模板辅助制备TiN纳米颗粒用于增强Cs2AgBiBr6钙钛矿光电探测器性能

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因其独特的光学和电学特性,例如高载流子迁移率、高光致发光效率、高消光系数、带隙可调等,钙钛矿材料成为了光电探测器领域的研究热点。目前面向光伏和探测应用的金属卤素钙钛矿材料都包含铅元素,铅的毒性在一定程度上阻碍了钙钛矿光电探测器的大规模产业化应用。无铅双钙钛矿材料Cs2Ag Bi Br6不仅解决了铅毒性的问题,还具有优异的光电特性,可用于制备环境友好型光电探测器。但是Cs2Ag Bi Br6带隙较宽,只能工作在紫外波段,且其在紫外波段的探测率比有机-无机杂化卤化铅钙钛矿光电探测器低两个数量级,这很大程度上阻碍了其应用。大量的研究表明,通过合理的设计,基于Ti N纳米结构的表面等离激元(SPPs)效应可以提高光电探测器的探测率并拓宽探测范围,其中Ti N颗粒功函数为5.05 e V,Cs2Ag Bi Br6材料的费米能级为5.16 e V,Ti N纳米结构与Cs2Ag Bi Br6材料接触形成肖特基异质结,利用Ti N纳米结构的SPP效应激发热空穴,热空穴跨越肖特基势垒进入Ti N中,从而增强光电探测器的性能。在本工作中,我们拟利用Ti N纳米颗粒的表面等离激元效应将Cs2Ag Bi Br6光电探测器的探测范围拓宽至近红外波段。为了实现低成本制备纳米结构,本论文采用单层排布的聚苯乙烯(PS)纳米球作为掩膜,制备了Ti N纳米颗粒,并应用于Cs2Ag Bi Br6光电探测器,主要工作如下:(1)Ti N纳米颗粒阵列的制备。首先在玻璃衬底上单层密排PS纳米球,然后利用反应离子刻蚀(RIE)法减小PS纳米球的直径,从而获得非密排且有序分布的PS纳米颗粒模板。基于该模板,溅射一定厚度的Ti N,最后清洗掉PS纳米颗粒即获得出Ti N纳米颗粒阵列。首先,通过对纳米球的排布工艺进行优化,成功制备出直径为800 nm、500nm、300 nm和100 nm的PS纳米球六角密排结构;然后,通过优化刻蚀条件,将纳米球直径减小50-100 nm,得到了非密排PS纳米球模板。最后,分别以刻蚀后直径为700nm和50 nm的PS纳米球为模板,采用磁控溅射工艺,成功制备出Ti N纳米颗粒阵列。(2)基于Cs2Ag Bi Br6的紫外与近红外光电探测器的制备。首先采用两步旋涂法制备了高质量的Cs2Ag Bi Br6薄膜,然后基于该薄膜制备金属-半导体-金属(Metal-Semiconductor-Metal,MSM)结构的光电探测器,此标准器件的亮暗电流比达到1.26×10~4。接着我们制备了Ti N纳米颗粒阵列修饰的Cs2Ag Bi Br6光电探测器并对其光电性能进行了优化,最终得到该器件在1550 nm的波段亮暗电流比为5.5,并且将探测范围从300-500 nm拓宽到了300-1550 nm。
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