全无机钙钛矿CVD制备方法及光电器件的研制

发布时间：2020-05-06 18:11

【摘要】：上个世纪,半导体器件的发明(包括激光器、光探测器、大规模集成电路以及各种光电器件)对现代信息技术革命起了至关重要的作用,引发了一场新的全球性产业革命。这些都离不开以半导体为基础的光电子器件的发展和应用。作为近几年半导体光电材料科学领域冉冉升起的一颗新星,ABX_3结构的有机无机复合钙钛矿材料具有着可调谐的带宽、超快的电荷产生速度、高并且平均的电子/空穴迁移率以及较长的载流子寿命。但是有机无机复合钙钛矿在稳定性方面有着先天的缺陷,这极大地阻碍了其在实际工业中的应用。用无机原子Cs取代A位的有机基团,形成全无机钙钛矿材料能有效地解决稳定性问题。全无机钙钛矿材料CsPbX_3(X=Cl、Br或I)保持了有机无机复合钙钛矿材料的优良特性,并且有着相比于有机无机复合钙钛矿材料更加稳定的结构。薄膜是制备半导体光电器件的首选材料结构,传统IV族、III-V族以及II-VI族半导体材料的工业集成与深入应用都是基于高质量薄膜材料的成功研制与工业规模化的生长。单晶CsPbX_3因缺陷水平低、晶界质量好、薄膜平整度高,具有优异的载流子传输性能。但是传统溶液合成法很难制备出尺寸为微米级的高质量的CsPbX_3薄膜,关于高性能的单晶钙钛矿光电器件的报道很少。本文用化学气相沉积(CVD)生长法,依靠其可以避免溶剂引起的缺陷保证难溶解原料的均匀沉积,能够精确调节温度、气流等反应参数的特点,来制备高质量的CsPbBr_3钙钛矿薄膜材料。我们以PbBr_2、CsBr为原料通过CVD法在不同的衬底上成功的生长出CsPbBr_3微米晶薄膜,并研究了其在光电器件的应用。具体工作如下:(1)在GaN衬底上成功生长出不同形貌的CsPbBr_3微米晶:温度600℃、压强150Pa时,会生长出边长10μm的CsPbBr_3微米立方晶体;温度600℃、压强200 Pa时,会在GaN衬底上生长出致密的CsPbBr_3微米晶薄膜;过高的生长温度(620℃)会导致CsPbBr_3难以沉积;低温(580℃)会导致CsPbBr_3沉积不可控,形成无规则的晶块。(2)制备的CsPbBr_3微米立方晶结晶质量高、棱角清晰、形态良好,具有带边发光和高于带边发光的两个发光峰,且具有良好的双光子吸收特性。通过800 nm飞秒脉冲激光激发CsPbBr_3,能实现WGM(Whispering Gallery Mode)模式的激光输出。(3)构建了全无机层p-GaN/CsPbBr_3/n-ZnO的p-i-n自驱动光探测器,探测器层与层之间的界面过度平滑,钙钛矿薄膜均匀、无孔洞。引入GaN和ZnO层极大的抑制了暗电流,并且构建的p-i-n结构对540 nm的光的能量转换效率达到20%,响应度为89.5 mA/W,探测度更是达到了10~(14) Jones。通过高频斩波器测得器件的光响应上升时间为100μs,下降时间为140μs。并阐明了GaN和ZnO层引入的强内建电场能促进器件的光生电子-空穴对的分离,从而提高光响应速度。探测器在不同温度的性能测试也表明器件具有很强的耐热性。(4)通过CVD方法成功在ITO叉指电极上生长出高质量的CsPbBr_3微米晶薄膜。生长出来的CsPbBr_3微米晶具有高的结晶质量、晶界少、块体大的特点。CsPbBr_3微米晶与ITO叉指间形成了优异的Schottky接触,势垒高度达到0.75 eV,具有9 V的阈值电压,优于之前关于CsPbBr_3报道的结果。背靠背Schottky结的引入能有效降低光探测器的暗电流,并且无需复杂的工艺过程就能实现。器件表现出良好的光探测性能:明暗电流比为10~4、响应度3.9 AW~(-1)(15V偏压)、探测度达到3.8×10~122 Jones、较快的响应速度(上升时间:0.22 ms,下降时间:0.45 ms)以及工作电压范围大。此外,器件表现出良好的稳定性,能在高温环境下保持器件构成不变。高温下的器件经过自然冷却到室温后,光电流会恢复到初始未加热的状态。
【图文】：

可再生能源,太阳能电池,正八面体,实验室

图 1.1 不同体系太阳能电池效率发展趋势图，由美国国家可再生能源实验室（NREL）提供。Figure 1.1 The dependent trendency of solar cell efficiency provided by the National RenewableEnergy Laboratory (NREL).1.2 钙钛矿晶体结构一般而言，钙钛矿晶体的分子通式为 ABX3。具体为，，在一个晶胞单元中有八个正八面体，阳离子 B 在正八面体的中心，阳离子 A 位于正八面体之间。A 位原子通常代表有机基团 (例如：CH3NH3+, NH2CH2NH3+, C(NH2)3+或者Cs+)，阳离子 B 通常是 Pb2+或 Sn2+，而阴离子 X 是卤化物离子(Cl-, Br-,或 I-)，如图 1.2a 所示。此外阳离子 B 很容易与阴离子 X 配位形成 BX6正八面体离子

正八面体结构,容差,因子,晶体结构

图 1.2 （a）正八面体结构的 ABX3晶胞；（b）不同晶体结构的容差因子。gure 1.2 (a) Unit cell ofABX3octahedral crystal structure. (b) The tolerance factor of difcrystal phases.ABX3钙钛矿晶体结构的稳定性以及可能的结构可以通过 Goldschmidt 子（t）以及八面体因子（μ）来推测[9-11]。容差因子(t)能代表钙钛矿晶体程度，具体定义表达式为： = ф ( ) 八面体因子（μ）能够决定 BX6的构成，满足公式： = 其中、和分别表示钙钛矿 ABX3三个元素的离子半径[12,13]。一般，必须同时满足 0.813 ≤t ≤ 1.107 和 0.442≤ μ≤0.895，卤化物钙钛矿晶格结
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN36

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