基于卤素离子表面钝化的PbS胶体量子点光电探测器制备与性能研究

发布时间：2020-04-17 02:10

【摘要】：胶体量子点具有独特的尺寸效应、表面效应、量子限域效应以及良好的溶液加工特性,是高性能、低成本半导体功能器件的热点研究体系之一。硫化铅(PbS)禁带宽度为0.4 eV,激子波尔半径高达18 nm,量子限域效应显著,PbS胶体量子点光电探测器峰值响应波长可在600 nm-3000 nm范围内灵活可调,其薄膜制备技术可兼容硅基、玻璃、陶瓷等各类衬底,应用前景良好;另一方面,量子点表面原子比例高,表面缺陷态密度高,需通过表面钝化技术来改善光电特性。基于卤素离子配体的表面钝化技术是钝化PbS量子点表面缺陷、增强电子传输特性的有效途径之一,本文围绕卤素离子配体对PbS胶体量子点薄膜光电探测器性能的影响规律与机制,对器件制备及性能调控技术开展深入研究,系统对比并优化了卤素离子的种类及其引入方式,有效提升了PbS胶体量子点薄膜光电探测器性能。本文首先采用以常用的氧化铅(PbO)为铅源,合成出PbS胶体量子点,通过配体置换的方式引入碘离子,室温条件下采用旋涂的方式制备出PbS胶体量子点薄膜光电探测器,结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)等表征手段以及器件性能测试分析,研究了薄膜级配体置换和溶液级相转移置换两种方式对PbS胶体量子点薄膜光电探测器件的性能影响。研究结果表明,与薄膜级配体置换相比,溶液级相转移配体置换工艺制备的光电探测器具有更高的光电流和更快的恢复时间,当用0.0257μW/cm~2的光照强度照射时,响应度达到了27.119 mA/W,相应的比探测率为2.81×10~(11) Jones。为了进一步探究卤素离子种类及其引入方式对PbS胶体量子点薄膜光电探测器性能影响,本文尝试以PbCl_2、PbBr_2和PbI_2替代PbO作为铅源,在合成前驱物中引入不同种类的卤素离子对PbS量子点进行原位钝化,通过改变反应温度,控制量子点的形貌与尺寸,结合溶液级相转移配体置换工艺制备出PbS胶体量子点薄膜光电探测器。不同铅源的对比研究表明,同等工艺条件下,PbCl_2为铅源的器件性能较优,响应度为69.6852 mA/W,比探测率为2.22×10~(12) Jones,初步分析了卤素离子种类对PbS胶体量子点薄膜光电探测器性能的作用机制:氯离子与铅离子结合力更强,能有效地形成氯化物封端,提高器件的抗氧化性。最后,为了探究金属阳离子的引入对PbS量子点光电探测器件的性能影响,在上述研究工作的基础上,采用阳离子交换合成法以PbCl_2为铅前驱体,以ZnS阳离子交换合成PbS,合成中可能引入的Zn~(2+)阳离子与Cl~-阴离子,共同原位钝化量子点表面缺陷。在相同光照强度下,阳离子交换法合成PbS量子点光电探测器的光响应略大于氯化铅合成的硫化铅而归一化比探测略小,响应度达到了83.245 mA/W,对应于比探测率为1.07×10~(12) Jones。
【图文】：

红外探测器件,系统发展,领域,信息技术产业

华中科技大学硕士学位论文1 绪论代信息技术的高速发展，光电子技术与微电子技术两者彼此交织，充，使光电探测技术在现代信息技术产业中占据十分重要的地位。信号转变成可处理的电信号的关键设备，在探测技术中举重若轻。术因其能很好地适应环境，在特定条件下的工作能力优于可见光；易被干扰；尺寸小，，质量轻，功耗低的独特优点而广泛应用于军事，如航天预警、红外成像、军用夜视、食品监测、智能驾驶、智慧巡线等，与日俱增的需求加快了红外光电探测的研究与发展。

光谱,参考文献,钙钛矿,金属卤化物

华中科技大学硕士学位论文物钙钛矿结合了无机和有机半导体的优点，光生载流子在产生和收集过程中几乎没有损耗。钙钛矿在光电探测中具有潜在的研究价值，Miao 等人[7]在最近研究报道，金属卤化物钙钛矿近红外光电探测器的光谱响应范围已扩展到 1000 nm。但是基于金属卤化物钙钛矿的光电探测器仍留有许多问题待解决，如介电弛豫、离子行为，光生成和收集等，以及如何克服传统的光电检测在噪声，光响应和速度方面的权衡[6]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN36

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