铜基卤化物Cs3Cu2I5的溶液法制备及其光电探测器应用研究

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近来,钙钛矿材料在光电探测领域已经取得了较大的研究突破,从紫外到可见波段都实现了超高的探测性能,这主要归因于其具备高的光吸收系数、高的载流子迁移率、载流子双极性输运以及带隙可调节等优点。然而,传统钙钛矿材料中含有重金属Pb,对环境和人体是有害的。而且,铅卤钙钛矿的不稳定性同样制约其实际应用发展。因此,从应用的角度考虑,发展基于稳定无铅钙钛矿材料的光电探测器更具研究价值。目前已报道的无铅钙钛矿材料除了具有改善的稳定性外,多数具有良好的光学和电学特性。此外,与铅基钙钛矿相比,部分无铅钙钛矿材料的带隙宽度更大,使其更适合制备高性能的紫外、甚至深紫外光电探测器。因此,在环境友好型钙钛矿基紫外光电探测器的制备方面,无铅钙钛矿材料无疑成为一种优选材料。本论文选择铜基卤化物Cs3Cu2I5为研究对象,通过改良的一步旋涂法制备出Cs3Cu2I5薄膜以及通过高温热注入法合成Cs3Cu2I5纳米晶(NCs)。并利用溶液法制备的两种Cs3Cu2I5分别制成光电探测器并研究其光电探测性能。第一部分,我们首先研究了Cs3Cu2I5薄膜的生长与优化。具体包括:通过不同反溶剂的筛选、调控反溶剂的滴加时间以及高温热退火的温度等,对材料的结晶质量、形貌、光学特性以及材料对抗热、紫外光和空气/湿度的稳定性进行系统的表征与分析。然后,设计并制备基于Cs3Cu2I5薄膜的平面结构的金属-半导体-金属(MSM)光电探测器,并对其光电特性和工作稳定性进行研究。测试发现,在5 V偏压、265 nm深紫外光照下,器件的响应度、比探测率以及响应时间分别为17.8 A W-1、1.12×1012 Jones和465/897μs。第二部分,利用Cs3Cu2I5薄膜对深紫外光优异的响应能力,构建Cs3Cu2I5与Si的异质结构,以此达到提升Si探测器在紫外波段响应能力的目的,从而制备出自驱动、紫外增强型的异质结光电探测器。实验上,将Cs3Cu2I5薄膜直接旋涂在Si纳米线阵列(NWs)上,构建Cs3Cu2I5/Si NWs的p-n结,通过测试发现Si探测器在紫外波段的响应得到了大幅度提升。在0 V偏压、265 nm光照下,器件的响应度、比探测率以及响应时间分别为130.2 m A W-1、3.1×1010 Jones和92.5/189.2μs。第三部分,考虑到因界面缺陷导致的Cs3Cu2I5/Si NWs异质结光电探测器比探测率低的问题,进一步设计并制备了Si NWs-Cs3Cu2I5复合结构。首先,通过高温热注入法合成出Cs3Cu2I5 NCs,然后将其修饰在Si NWs的表面。通过调控Cs3Cu2I5 NCs在Si NWs表面的修饰量,实现对纳米线表面缺陷的有效钝化。以此方法制备的异质结探测器在暗电流抑制和灵敏度提升方面均得到了显著提升。在0 V偏压、265 nm光激发下,器件的比探测率达到2.1×1012 Jones,较Cs3Cu2I5/Si NWs异质结构光电探测器有了明显的提升。并且,由于Cs3Cu2I5 NCs的高稳定性,所制备的器件在空气环境中放置300天后,光电流仍能保持原来的90%以上,而暗电流水平基本保持不变。综上所述,铜基卤化物Cs3Cu2I5材料不但具备合成工艺简单、制备成本低的优势,而且表现出优异的稳定性,符合环境友好型光电探测器的应用需求,考虑到其对紫外光的强吸收能力,有望为紫外增强型宽波段探测器的制备提供可行的解决方案。
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