【摘 要】
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光电探测器是一种将光信号转化为电信号的电子器件,在光通讯、成像、医学以及军事领域都有着广泛的应用。近年来,无机钙钛矿材料由于具有高载流子迁移率、高光吸收系数、长载流子扩散距离等优点,被广大学者认为是比较有潜力的光电探测材料。本文主要是通过原子层沉积技术调控CsPbBr_3界面性质,针对无机钙钛矿CsPbBr_3基光电探测器响应度低、暗电流大及不稳定等问题展开了深入研究,取得如下主要结论:1.ALD
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光电探测器是一种将光信号转化为电信号的电子器件,在光通讯、成像、医学以及军事领域都有着广泛的应用。近年来,无机钙钛矿材料由于具有高载流子迁移率、高光吸收系数、长载流子扩散距离等优点,被广大学者认为是比较有潜力的光电探测材料。本文主要是通过原子层沉积技术调控CsPbBr3界面性质,针对无机钙钛矿CsPbBr3基光电探测器响应度低、暗电流大及不稳定等问题展开了深入研究,取得如下主要结论:1.ALD界面层修饰对CsPbBr3薄膜形貌、结构及其光电器件性能调控。(1)形貌结构调控:基于原子层沉积(ALD)技术在FTO/CsPbBr3薄膜之间引入1.5 nm超薄Al2O3界面层,有助于改善CsPbBr3钙钛矿薄膜的致密性,同时也促进CsPbBr3钙钛矿薄膜沿(200)晶向择优生长,与有没修饰探测器比较,暗电流可抑制3个数量级;(2)光电响应特性调控:为提高器件响应度及响应速度,CsPbBr3/Au之间通过ALD技术引入一层10 nm厚Ti O2薄膜,一方面,Ti O2作为电子传输层,提高载流子分离效率,另一方面,Ti O2界面层可修饰CsPbBr3界面缺陷态,探测器光电流提升2个数量级,此外,ALD-Ti O2对探测器起到保护作用,提高探测器稳定性。优化后CsPbBr3基探测器(Al2O3/CsPbBr3/Ti O2,ACT)展现出超低暗电流(10-11 A)、高比探测率(1.88×1013 Jones)及宽线性动态范围(172.7d B),探测器在空气中暴露100天后光电流仍保持原始光电流的96%。柔性ACT探测器经过弯曲3000次(90°弯曲条件)后,器件的开关比仍保持原始数值的76.8%。2.ALD-NiOx空穴传输层引入对CsPbBr3钙钛矿探测器光电性能的影响。在FTO上预沉积一层NiOx薄膜作为电子阻挡层,抑制探测器暗电流。经过界面优化后探测器(NiOx/CsPbBr3/Ti O2探测器,NCT探测器)的暗电流降低(达10-11 A数量级)、线性动态范围变宽(186.7 d B)及最小可探测光强降低(857 p W/cm2)。NCT探测器在微弱光信号下依然能呈现出明显的光电响应。进一步地,将NCT探测器组装在激光聚焦透射成像系统中,成像分辨率优于25μm,实现了4 n W/cm2的弱光下对二维码进行清晰成像。3.发展了ALD辅助气相阴离子交换法调控CsPbBr3能带结构,并用于调控无机钙钛矿光电探测器光电响应特性。CsPbBr3钙钛矿在ALD系统反应腔中与Ti Cl4中的Cl-发生阴离子置换反应,由于CsPbBr3薄膜中的Br-被Cl-逐渐取代,置换反应速率可以通过ALD循环圈数精准控制,最终可实现CsPbBr3薄膜完全转变为Cs Pb Cl3,导致薄膜的禁带宽度增加,钙钛矿薄膜的吸收边可以从518 nm蓝移至410 nm。进一步地,基于工作1和工作2的界面钝化工艺,实现无机钙钛矿探测器从近紫外到可见光波段范围的响应调控。
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