SnO2纳米纤维和Bi基钙钛矿薄膜紫外光电探测器的构建和性能调控

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随着工业的进步和人类社会的发展,人们对各类高性能电子器件的需求也越来越高。其中紫外光电探测器是一种很重要的光电子器件,被应用在诸多领域,如生物效应、环境监视、航天通信、火焰探测、导弹预警和水域净化等。近年来,传统的紫外光电探测器虽然得到了较快的发展,但是还存在着一些急需解决的问题。例如:第一代的紫外光电倍增管体积较大、不易携带等问题;传统硅基光电探测器禁带宽度较窄,所以需配备昂贵的滤波器的问题等。因此,为了满足人们日益增长的生产生活的需要,发展有竞争力的传统宽禁带氧化物半导体材料和开发新型钙钛矿材料并应用于紫外光电探测器中势在必行。所以,我们选择了以下两个方向开展工作:(1)利用简便易行的静电纺丝技术制备SnO2纳米纤维,开发新型、高质量和光电性能可控的氧化物纳米纤维光电探测器。通过反复的实验并结合理论分析,建立工艺参数与电学和光电性能之间的关系;通过调节前驱体溶液中的物质配比来控制纳米纤维的形貌,最终成功获得了高光暗电流比和高响应度的SnO2纳米管紫外光电探测器。其中最佳的基于0.2 SnO2(前驱体溶液中加入了0.2 g SnCl2·4H2O)纳米管的场效应晶体管的开态电流接近10-4 A,开关电流比达到2.4x106。同时,基于0.2SnO2纳米管的场效应晶体管也是性能极佳的紫外光电探测器,其对UVB波段的紫外光响应较强。在280 nm的紫外光的辐照下,其灵敏度、响应度和探测率分别达到2003、214 AW-1和2.19x1013 Jones。最后,将基底由硅片更换成FTO玻璃并构建了透明紫外光电探测器,在保证可见光透过率大于85%的同时,这种透明紫外光电探测器的光暗电流比可达到200倍。(2)开发新型材料也是未来紫外光电探测器的发展方向之一,其中钙钛矿材料由于其优异的光电性能成为一种极具潜力的候选材料。全无机的铋(Bi)基钙钛矿薄膜具有价格低廉、物化性能稳定和无毒的优势。我们以简单的旋涂方法制备了一系列的全无机Bi基钙钛矿Cs3Bi2I9-xBrx(x=0-9)薄膜。通过SEM表征,选取了其中Cs3Bi2I9-xBrx(x=3-9)的7种表面致密且平整的薄膜构建了光电探测器并系统研究了它们的光电性能。通过系统的光电性能测试和分析,最终获得了高光敏度和快速响应时间的全无机Bi基钙钛矿光电探测器。其中,基于Cs3Bi2I6Br3薄膜的光电探测器对蓝紫光及紫外光响应能力强,其灵敏度达到41000倍,探测率达到4.6x1011Jones,响应时间和恢复时间仅为40.7和27.1 ms。此外,这种Bi基光电探测器在室温下还保持了极佳的稳定性,其光电流可以维持100天以上无明显衰减。
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