基于锡铅钙钛矿的高灵敏、高稳定、宽光谱光电探测器研究

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光电探测器是一类将光信号转化为电信号的光电器件,在军事、工业检测、国民经济领域等都扮演着重要的角色。尤其是近红外光探测器,在医学成像、检测系统和红外遥控等各种新兴应用领域中也同样发挥着重要的作用。有机无机杂化钙钛矿材料因为其可溶液法制备、成本低、操作简单、可兼容柔性衬底等优势,有望取代传统的光电器件的复杂昂贵的制备过程。重要的是有机无机杂化钙钛矿材料还拥有优异的光电特性如光吸收系数高、载流子迁移率高、激子扩散长度长、带隙可调等,为高性能器件的实现创造了优越的先决条件。然而,有机无机杂化钙钛矿材料由于带隙的限制,无法探测到近红外部分的响应。使用Sn2+部分取代Pb2+可以降低钙钛矿材料的带隙,有效解决铅基钙钛矿无法覆盖近红外波段的问题,但是锡基钙钛矿存在着Sn2+易被氧化成Sn4+,材料成膜性差和缺陷较多等缺点。本论文针对以上该领域内还存在着的一些问题,主要开展以下两方面的研究工作。第一,选用的(FASn I3)0.6(MAPb I3)0.4锡铅共混钙钛矿材料有将光谱响应的截止边延伸至了1050 nm,但是因为Sn2+极易被氧化,导致制备的器件极不稳定。因此我们设计了三维/二维结构,大幅度的提高了探测器的稳定性,器件在70个小时内EQE几乎保持不变。不仅如此,该结构表现出良好的钝化作用,器件在-0.1 V的暗电流密度低至4.6×10-5m A cm-2,还表现出很高的探测率(D*)为1.25×1011cm Hz-1/2W-1。响应速度快至14.66 ns。除此之外,本研究还将器件应用于成像领域,表现出了很强的实用价值。第二,为了提高探测器在近红外区域内的响应,我们调控了钙钛矿材料的Sn、Pb组分,并在此基础上引入了Cs阳离子的掺杂。器件的稳定性是不容忽视的,因此在本部分研究中创新性的提出了双面界面工程,通过对钙钛矿薄膜顶部和底部进行二维结构的覆盖和缺陷钝化,有效提升探测器的灵敏度和稳定性。双面钝化层兼具缺陷钝化、提高电荷传输和阻隔水氧、提升器件稳定性的特点,在70 Hz时噪声值低至5.36×10-13A Hz-1/2;在910 nm波段的D*值为2.07×1011cm Hz-1/2W-1。同时表现出超过240h的稳定性。并且器件在整个光谱范围内(300-1050 nm)表现出近80%的平直EQE值。最后,将Sn-Pb宽光谱光电探测器集成在红外上转换系统,实现了近红外光可视化的应用。本论文不只局限于完成以上实验工作,还对以上工作做了深入的原理性分析,提高了锡基钙钛矿的稳定性和探测性能,切切实实的解决了锡基钙钛矿探测器中存在的问题,并为下一步的研究提供了新的研究思路和方法。并且结合探测器的优势设计并完成了相应的功能性应用,为探测器在行业内的发展有着重要的引领意义。
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