超长载流子寿命的高质量MAPbI3纳米线及其光电探测器的研究

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可溶液加工的单晶钙钛矿薄膜在载流子寿命方面优于其多晶对应物,因为较少的晶界导致载流子复合损失减少。而单晶钙钛矿纳米线是光电探测和其他光电应用的理想选择,因为它们的独特优势是可以通过自然形成的边界在纳米级别操纵光和载流子。尽管研究人员已经做出了很大的努力来生长用于光电检测的高质量单晶钙钛矿纳米线,但是它们的侧面是粗糙的,伴随着一定数量的缺陷,这恶化了暗电流,因此限制了弱光检测的能力。并且单晶钙钛矿(MAPbI3)纳米线与块状钙钛矿单晶相比,它们的载流子寿命要短得多。本工作基于具有精细动力学控制的表面引发的溶液生长方法制造了具有原子光滑侧面和载流子寿命长达81 ns的高质量单晶MAPbI3纳米线,其性能优于其他所有溶液法生长的单晶MAPbI3纳米线。我们通过蒸镀电极方法所制备的基于单根MAPbI3纳米线的金属-半导体-金属光电探测器在1 V偏压下具有极低的暗电流(180 f A),在10.2m W/cm2的入射光功率密度下具有340 p A的亮电流,对应于1880的开关电流比,在没有任何钝化处理的基于MAPbI3纳米线的光电探测器中的亮暗电流比最大。我们还通过干接触转移技术,制造出基于多根MAPbI3纳米线的高性能的金属-半导体-金属光电探测器。所展示的光电探测器在室温下具有157 d B的创纪录的大线性动态范围,与所有先前报道的MAPbI3纳米线光电探测器相比,它可以检测到功率密度低至5.5 n W/cm2的光,从而创下了2.431014琼斯的超高探测率。这种优异的光电探测性能归因于两个方面。首先,我们制备的MAPbI3纳米线展现出原子级平滑侧面,从而减少了缺陷的数量,进而在暗态下实现了极低的噪声电流。其次,所制备的MAPbI3纳米线具有超长的载流子寿命导致在光照下的响应率提高。我们还表征了该器件在低温下的性能,随着温度的降低,器件的亮暗电流比得到大幅提高,在85 K时达到3.953107。并且器件的响应更加迅速,探测率也得到了增强。因此该器件在低温下具有比常温下更好的光电检测性能。实现的高性能MAPbI3纳米线光电探测器将促进低成本光电探测器的发展,并在弱信号光电探测与低温探测中找到潜在的应用。
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