[发明专利]一种全无机钙钛矿肖特基光电探测器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种全无机钙钛矿肖特基光电探测器及其制备方法。该探测器由Si/SiO₂衬底、ITO左右电极、钙钛矿微米线组成。采用两步法在衬底上原位合成了CsPbBr₃钙钛矿微米线，即先合成PbI₂的微米线，然后在CsBr甲醇溶液中通过离子交换的方式得到CsPbBr₃钙钛矿微米线。采用了ITO电极与钙钛矿形成肖特基结，实现了快速优良的紫外‑可见光敏探测性能。微米线由纳米颗粒组成并具有多孔结构，可实现对光的多次散射，得到的探测器具有响应度高、灵敏度高、响应恢复快等特点。

技术领域

本发明属于纳米材料制备及光电子运用领域，主要涉及一种全无机CsPbBr₃钙钛矿多孔微米线的紫外-可见肖特基型光电探测器及其制备方法。

技术背景

近年来，光电子科学发展十分迅速，其中光电探测器作为一种可直接将光信号转换成电信号的器件得到了科研人员的极大关注，各种类型的光电探测器层出不穷。目前商业化的探测器主要为硅基探测器，但是硅基探测器光谱选择性差，往往要配合滤光片实现光谱选择性探测，这使其制作成本增加，结构十分复杂，不利于其进一步的发展。所以找到一种成本低廉、制作简单、光谱选择性好的材料成为了科研人员的研究热点。

近几年研究较多的钙钛矿材料由于其拥有带隙可调、吸光系数好、载流子迁移率高、可用低成本溶液法制备等特点，有望取代硅材料，成为下一代光电子材料。目前基于钙钛矿材料的光电探测器已经取得了很多重要的研究成果。比如Paul Meredith课题组报道了一种不需要滤光片的高光谱选择性的钙钛矿光电探测器，在世界上引起了极大的反响，其成果发表在Nature Photonics上(Qianqian Lin，Ardalan Armin，Paul L.Burn andPaul Meredith.Filterless narrowband visible photodetectors.Nature Photonics，2015，175)，并取得了相关专利。而Yang Yang课题组制备的钙钛矿光电探测器得到的探测灵敏度高达10¹⁴jones，线性动态范围达到100dB的优异性能(Letian Dou，Yang(Micheal)Yang，Jingbi You，Ziruo Hong，Wei-Hsuan Chang，Gang Li，Yang Yang.Solution-processed hybrid perovskite photodetectors with high detectivity.NatureCommunication 2014，5：5404.)，因此钙钛矿光电探测器具有很大的发展前景。但上述基于钙钛矿材料的光电探测器其结构都为异质结或PIN结构，异质结制作工艺复杂，并且性能容易受到界面影响，比如造成很大的漏电流，同时由于异质结本身的限制，其响应度也有待于进一步提高，而且上述所用钙钛矿都为有机无机杂化类钙钛矿，其中有机分子在高温高湿以及空气中都不稳定，因此其实际运用还存在很大的挑战。为了提高器件的性能，低维结构的钙钛矿探测器是很好的选择。比如有人用传统的纳米压印(Honglei Wang，RossHaroldson，Balasubramaniam Balachandran，Alex Zakhidov，Sandeep Sohal，JuliaY.Chan，Anvar Zakhidov and Walter Hu.Nanoimprinted Perovskite NanogratingPhotodetector with Improved Efficiency.ACS NANO)或模板法(Jiangang Feng，XiaoxuYan，Yun Liu，Hanfei Gao，Yuchen Wu，Bin Su and Lei Jiang.CrystallographicallyAligned Perovskite Structures for High-Performance Polarization-SensitivePhotodetectors.Advanced Materials 2017，1605993)得到了高质量的钙钛矿阵列，其性能有了很大的提高，但是这些方法对生长条件要求苛刻，需要做到精确控制。所以找到一种结构、制作工艺简单并且稳定的钙钛矿光电探测器是研究人员目前关注的重点和努力的方向。在这方面，最近已经取得了一系列的重要成果。比如一种基于室温下合成的全无机钙钛矿量子点(QDs)制备的Au/CsPbBr₃QDs/Au结构的光电探测器，通过Au等离子体增强使其性能和稳定性得到很大的提高(Yuhui Dong，Yu Gu，Yousheng Zou，Jizhong Song，LeimengXu，Jianhai Li，Jie Xue，Xiaoming Li，and Haibo Zeng.Improving All-InorganicPerovskite Photodetectors by Preferred Orientation and Plasmonic Effect.Small2016.)。随后又有报道成功合成了二维CsPbBr₃超薄纳米片(NPs)，并制备了Au/CsPbBr₃NPs/Au结构的探测器，将最大响应度提高到了34A/W(Xuhai Liu，Dejian Yu，Fei Cao，XiaomingLi，Jianping Ji，Jun Chen，Xiufeng Song，and Haibo Zeng.Low-VoltagePhotodetectors with High Responsivity Based on Solution-Processed Micrometer-Scale All-Inorganic Perovskite Nanoplatelets.Small 2017.)。但是上述探测器主要是基于Au与CsPbBr₃的欧姆接触型探测器，在较高的外加电压下，暗电流会变得很大，这对探测器性能的影响十分明显，所以暗电流大是制约探测器发展的一个关键因素，另外受限于量子点和纳米片的尺寸，对沟道的大小提出了一定的要求。