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结构的光电性质研究

【摘要】:将电荷传输性能好的碳基二维材料,如石墨烯[91,123-125,129,155]、碳纳米管、氧化石墨烯等,与钙钛矿材料结合在一起构成异质结构器件,可以获得性能优良的光电探测器。首先,碳基二维材料被广泛用在基于钙钛矿多晶薄膜的晶体管型光电探测器中。由过渡金属化合物WS2[156]、MoS2[121]、WSe2[57]构成的二维材料也被用于提高钙钛矿光电探测器的性能。

电荷传输性能好的碳基二维材料,如石墨[91,123-125,129,155]、碳纳米管、氧化石墨烯等,与钙钛矿材料结合在一起构成异质结构器件,可以获得性能优良的光电探测器。

首先,碳基二维材料被广泛用在基于钙钛矿多晶薄膜的晶体管型光电探测器中。2014年,Lee等人制备了如图5.1(a)所示的单层石墨烯与MAPbI3多晶薄膜异质结构晶体管光电探测器[124]。该器件在1μW光强下的响应率为180A/W,外量子效率为5×104%。作者认为MAPbI3和石墨烯之间通过π-π相互作用产生了有效电荷转移,由于石墨烯的化学势高于MAPbI3的价带,石墨烯的电子易于传输到邻近的MAPbI3的价带中,填充了价带中的光生空穴,从而减少了MAPbI3中的光生电子-空穴对复合,使得光生电子被束缚在MAPbI3的导带中,延长了光生载流子的寿命,带来了更高的光电探测增益。这一效应同时带来了晶体管的Dirac点向正偏压移动,该效应通过复合结构表现出的光致发光猝灭现象得以验证。2016年,Dang等人在PI柔性衬底上制备了柔性石墨烯/钙钛矿多晶薄膜异质结构晶体管型光电探测器,获得了115A/W的响应率[125]。在该器件中,他们对石墨烯施行了电子掺杂,缩小了晶体管Dirac点向正偏压移动的大小。

研究者们还将石墨烯用于与钙钛矿纳米结构组合构成异质结构晶体管型光电探测器,相比连续的钙钛矿薄膜,钙钛矿纳米结构束缚电子能力更强,有利于进一步延长载流子寿命,获得更高的响应率。2015年,Wang等人制备了基于单层石墨烯与MAPbBr2I纳米孤岛异质结晶体管光电探测器[123],该器件在1.052nW光照下的响应率高达6×105A/W,光电导增益因子为2.01×109,作者将此高增益同样归因于钙钛矿和石墨烯之间的电荷转移。2016年,Spina等人制备了基于石墨烯与MAPbI3纳米线异质结构晶体管光电探测器,器件结构如图5.1(b)插图所示,该器件在光强0.1pW、530nm波长光照射下,源漏极电压为0.1V时,表现出了极高的响应率(6×106A/W),相关性能参见图5.1(b)[129]。该团队还将MAPbI3纳米线与碳纳米管组合构成了异质结构晶体管型光电探测器,具体介绍参见4.4节[128]

图5.1 (a)MAPbI3/石墨烯异质结构器件结构示意图[124];(b)MAPbI3NW/石墨烯异质结构光电探测器的结构示意图(插图)及响应率随入射光强变化的曲线[129];(c)(C4H9 NH32PbBr4/石墨烯异质结构器件的结构示意图[91];(d)MAPbI3-xClx/单壁碳纳米管异质结构光电探测器的结构示意图(插图)及响应率随入射光强曲线[155];(e)MAPbI3/graphene/AuNP异质结构光电探测器的结构示意图[122];(f)MAPbI3/ZnO纳米线异质结构光电探测器的结构示意图[140]

碳基二维材料也被用于改善光电导型钙钛矿光电探测器的性能。2015年,梁子骐小组制备了由多晶MAPbI3薄膜与氧化石墨烯纳米颗粒构成的异质结构光电导探测器,较参比器件响应率提高了6倍[52]。2016年,刘忠范团队报道了石墨烯与二维钙钛矿(C4H9NH32PbBr4纳米片构成的异质结构光电导探测器[91],区别于其他包含石墨烯的异质结构钙钛矿光电探测器,他们并没有使用连续的石墨烯薄膜来传导电子,而是将独立的石墨烯薄膜分别作为两端电极使用(间距100nm),如图5.1(c)所示,基于叉指状电极的器件的响应率达到2100A/W。类似的,2018年,Lin等人制备了石墨烯与MAPbI3单晶纳米颗粒组成的异质结构光电导型探测器[155],其中石墨烯也起到电极的作用。该器件的响应率在103~104A/W量级。他们又进一步利用MAPbI3单晶纳米颗粒与单壁碳纳米管异质,实现了小于10nm的电极间距,将响应率提升至106~107A/W量级,探测率在1014~1015Jones。利用MAPbI3-xClx单晶纳米颗粒与单壁碳纳米管异质结构能够获得性能更佳的光电探测性能,器件结构及性能如图5.1(d)及插图所示。器件达到104量级的亮暗电流比,响应率高达107~109A/W,探测率达到1015~1016Jones量级,这是目前已有文献报道的钙钛矿光电探测器的最高响应率与探测率。

由过渡金属化合物WS2[156]、MoS2[121]、WSe2[57]构成的二维材料也被用于提高钙钛矿光电探测器的性能。2016年,Kang等人利用MoS2与MAPbI3多晶薄膜复合制备了响应率为4.9×103A/W的异质结构晶体管型光电探测器[121]。他们又进一步对MoS2施行了电子掺杂,获得了响应率和探测率的双重提高,并且该器件在4.63pW弱光照射下,响应率进一步提高至1.94×106A/W,探测率达到1.29×1012Jones。同时,他们还用PMMA和OTS对器件进行了双重封装,提高了器件的稳定性。同年,Ma等人设计了WS2单分子层与MAPbI3多晶薄膜构成的异质结构光电导探测器。在光照时,WS2/MAPbI3界面有效的电荷转移提高了光电流。暗态下,WS2/MAPbI3界面的电荷转移导致了耗尽区的形成,抑制了暗电流。相比无WS2器件,WS2/MAPbI3异质结构器件的亮暗电流比提高了一个数量级[156]。此外,Lu等人用激光照射改善了WSe2二维单分子层的性能,将其与MAPbI3多晶薄膜复合构成了异质结构光电导探测器,实现了响应率为110A/W的性能[57]