高性能CH3NH3PbCl3紫外探测器的制备和特性研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:a57556836
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紫外探测技术在紫外光通讯、导弹跟踪预警、火焰监测和生物医学等众多军用和民用领域中有着非常广泛的应用。有机-无机杂化卤族钙钛矿材料因其自身具有诸如可调节的直接带隙、高的光吸收系数、极为优异的载流子传输性能等众多优异的光电特性而吸引了众多研究者的关注,被认为是在光电探测器应用中极有前景的候选材料之一。相比于钙钛矿微纳结构和多晶薄膜材料,钙钛矿单晶体材料具有晶界少,本征载流子浓度低,陷阱密度小等特点,在制备高稳定性和高性能的光电探测器方面具有明显优势。在众多的有机-无机杂化卤族钙钛矿材料中,甲胺氯化铅(CH3NH3PbCl3)因其室温下约为3.1 eV的禁带宽度而被视为制备紫外探测器件的理想材料。但目前基于氯(Cl)基钙钛矿材料制备的探测器件性能远低于基于碘(I)基和溴(Br)基材料的器件性能。这些较低的器件工作性能可能归因于利用传统的结晶工艺制备得到的CH3NH3PbCl3单晶的结晶质量较差,因而限制了基于CH3NH3PbCl3的探测器件的应用发展。针对上述问题,本论文从提升CH3NH3PbCl3结晶质量为工作出发点,开展了相关研究工作,具体内容如下:(1)在传统的反向升温结晶法的基础上,通过微调控制晶体成核和结晶生长过程,开发了一种两步分步升温结晶法,大大提升了单晶产物的晶体质量。所得单晶具有同种材料中最窄的摇摆曲线半峰宽(0.0447°)、最低的缺陷密度(7.9×109/cm3)、最高的载流子迁移率(64 cm2/V?s),为目前结晶质量最高的CH3NH3PbCl3单晶。(2)利用得到的高质量CH3NH3PbCl3单晶制备了金属-半导体-金属(MSM)结构紫外探测器。器件在415 nm处的响应度为3.73 A/W、探测度为9.97×10 11Jones,并具有较快的响应速度,上升时间为130 ns,器件性能明显优于已报道的CH3NH3PbCl3紫外光电探测器件。另外,该器件在未封装情况下在大气中可保持50天以上的稳定性。器件优异的工作性能和高的稳定性与两步分步升温结晶法制备的CH3NH3PbCl3单晶的结晶质量更高密不可分。(3)利用化学气相沉积(CVD)方法生长了ZnO微米线,然后利用分步升温结晶法,在微米线上沉积了一层CH3NH3PbCl3晶体构成CH3NH3PbCl3/ZnO异质结光电探测器件。该器件具有明显的整流特性和快速响应特性。并且该器件在正入射和背入射两种工作模式下,其响应分别对应于紫外加可见波段和纯紫外波段,可根据被测光信号的波长对器件的工作模式进行选择以满足不同需求。通过分步升温结晶法制备的高质量CH3NH3PbCl3层是成功构筑异质结器件的基础。
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