甲胺铅碘薄膜的光电子特性及其高性能光电探测器研究
发布时间：2021-06-08 03:56
光电探测器是一种可以将光信号转换为电信号的器件,被广泛运用于工业控制、光通信、医疗影像、环境监测及航空航天等诸多领域。近年来,有机-无机杂化钙钛矿尤其是最具代表性的CH3NH3PbI3展现出了优异的光学和电学特性。其禁带宽度约为1.55 eV,可见光范围内的光吸收系数高达104～105 cm-1,载流子寿命长达102～103 ns,且拥有良好的机械柔韧性,适合用于光电子器件的制备。大量的研究也表明CH3NH3PbI3光电探测器能够拥有优异的光电检测能力,且在透明、柔性等方面具备独特的优势。因此,在现有基础上更加深入地研究CH3NH3PbI3的光学与电学特性、进一步优化和提高器件性能和稳定性、以及提出新的器件结构都是十分必要的。半导体材料的光学常数、禁带宽度、乌尔巴赫带尾对器件的性能有...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
光电导型光电探测器结构示意图
第一章绪论7-空穴会被有效地分离和收集，从而产生光电流[11]。在p-n结型光电探测器的基础上，引入了p-i-n结，即是将一层高阻的本征半导体（i型层）置于p型半导体和n型半导体之间。p-i-n结可以在i型层两侧的界面附近形成p-i和n-i两个空间电荷区，从而产生内建电常p-i-n结构的光电探测器拥有更宽的耗尽区，能够产生更多的光生电子-空穴对并在内建电场的作用下被快速有效地分离和收集，所以相对于p-n结光电探测器，基于p-i-n结的光电探测器量子效率更高，响应速度更快。但p-i-n结型光电探测器多采用叠层结构，工艺流程较为复杂，且由于需要额外的p型及n型半导体层，增加了器件的制备成本。基于金属与半导体间的肖特基接触所制备的自驱动光电探测器一般是金属-半导体-金属（MSM）结构的器件。其原理如图1-3所示：金属与半导体接触时，若金属的功函数大于半导体（以n型半导体为例），则在半导体表面形成正的空间电荷区，电场方向由体内指向表面。当半导体两端的金属-半导体接触方式不同或两端肖特基势垒高度不同时，两个相反的电场强度无法相互抵消，使得器件产生内建电势，从而实现光生载流子分离和收集，在外部回路中会形成光电流。基于肖特基接触的光电探测器是多子器件，没有少子扩散电流的电荷存储效应，所以理论上可以有更高的响应速度。利用该原理制备的光电探测器一般会使用两种不同的材料作为电极，造成器件两侧肖特基势垒的不对称，以形成有效的内建电场，产生自驱动效应[12,13]。图1-2（a）p-n结的空间电荷区示意图；（b）基于p-n结的光电探测器工作原理示意图。
华东师范大学博士学位论文8铁电光伏效应可分为体光伏效应和反常光伏效应，其物理机制较为复杂，如位移电流、铁电畴畴壁、肖特基结以及退极化场效应等，而实际器件的工作可能源于多种机制的共同贡献[14]。由于铁电光伏效应不受传统p-n结光伏器件的肖克利奎伊瑟（Shockley-Queisser）极限限制，所以有望获得更高的光电转换效率[15,16]。基于铁电光伏效应的光电探测器的工作原理是：在铁电材料的两端施加一个足够强的电场，撤掉这个外电场后，铁电材料仍保持有一个剩余极化强度。当光照射到铁电材料表面时，产生的光生载流子在剩余极化的作用下被有效分离，由电极收集后产生光电流。具体的器件结构可以分为如图1-4（a）的垂直型和如图1-4（b）的平面型。现有研究较多的应用于铁电光伏器件的材料主要包括BeFeO3、Pb(ZrxTi1-x)O3、LiNbO3等[17]。在实际的研究和应用中，也有以上述几种机制和结构为基础，再施以外加偏压进行工作的高性能光电探测[18]。然而此类光电探测器无法归类于光电导型或自图1-3基于肖特基接触的光电探测器能带示意图。图1-4（a）基于铁电光伏效应的垂直型光电探测器结构图及原理图；（b）基于铁电光伏效应的平面型光电探测器结构图及原理图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高效稳定锡基钙钛矿太阳电池（英文）[J]. 郝锋,谭海仁,靳志文,丁黎明. Science Bulletin. 2020(10)
[2]Formamidinium Lead Bromide （FAPbBr3） Perovskite Microcrystals for Sensitive and Fast Photodetectors[J]. Fengying Zhang,Bin Yang,Kaibo Zheng,Songqiu Yang,Yajuan Li,Weiqiao Deng,Rongxing He. Nano-Micro Letters. 2018(03)
[3]Lead-free organic-inorganic halide perovskites grown with nontoxic solvents[J]. Guozhong Cao. Science Bulletin. 2017(13)
[4]椭圆偏振研究溅射气压对锰膜光学性质的影响[J]. 唐华杰,张晋敏,金浩,邵飞,胡维前,谢泉. 红外与毫米波学报. 2015(03)
[5]半导体氮化物AlInN的光学性质[J]. 蒋立峰,沈文忠,郭其新. 红外与毫米波学报. 2011(03)
博士论文
[1]镱激活的红外下转换材料和铋铕共掺氧化钆的制备及发光性质表征[D]. 韦先涛.中国科学技术大学 2010
本文编号：3217642
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
光电导型光电探测器结构示意图
第一章绪论7-空穴会被有效地分离和收集，从而产生光电流[11]。在p-n结型光电探测器的基础上，引入了p-i-n结，即是将一层高阻的本征半导体（i型层）置于p型半导体和n型半导体之间。p-i-n结可以在i型层两侧的界面附近形成p-i和n-i两个空间电荷区，从而产生内建电常p-i-n结构的光电探测器拥有更宽的耗尽区，能够产生更多的光生电子-空穴对并在内建电场的作用下被快速有效地分离和收集，所以相对于p-n结光电探测器，基于p-i-n结的光电探测器量子效率更高，响应速度更快。但p-i-n结型光电探测器多采用叠层结构，工艺流程较为复杂，且由于需要额外的p型及n型半导体层，增加了器件的制备成本。基于金属与半导体间的肖特基接触所制备的自驱动光电探测器一般是金属-半导体-金属（MSM）结构的器件。其原理如图1-3所示：金属与半导体接触时，若金属的功函数大于半导体（以n型半导体为例），则在半导体表面形成正的空间电荷区，电场方向由体内指向表面。当半导体两端的金属-半导体接触方式不同或两端肖特基势垒高度不同时，两个相反的电场强度无法相互抵消，使得器件产生内建电势，从而实现光生载流子分离和收集，在外部回路中会形成光电流。基于肖特基接触的光电探测器是多子器件，没有少子扩散电流的电荷存储效应，所以理论上可以有更高的响应速度。利用该原理制备的光电探测器一般会使用两种不同的材料作为电极，造成器件两侧肖特基势垒的不对称，以形成有效的内建电场，产生自驱动效应[12,13]。图1-2（a）p-n结的空间电荷区示意图；（b）基于p-n结的光电探测器工作原理示意图。
华东师范大学博士学位论文8铁电光伏效应可分为体光伏效应和反常光伏效应，其物理机制较为复杂，如位移电流、铁电畴畴壁、肖特基结以及退极化场效应等，而实际器件的工作可能源于多种机制的共同贡献[14]。由于铁电光伏效应不受传统p-n结光伏器件的肖克利奎伊瑟（Shockley-Queisser）极限限制，所以有望获得更高的光电转换效率[15,16]。基于铁电光伏效应的光电探测器的工作原理是：在铁电材料的两端施加一个足够强的电场，撤掉这个外电场后，铁电材料仍保持有一个剩余极化强度。当光照射到铁电材料表面时，产生的光生载流子在剩余极化的作用下被有效分离，由电极收集后产生光电流。具体的器件结构可以分为如图1-4（a）的垂直型和如图1-4（b）的平面型。现有研究较多的应用于铁电光伏器件的材料主要包括BeFeO3、Pb(ZrxTi1-x)O3、LiNbO3等[17]。在实际的研究和应用中，也有以上述几种机制和结构为基础，再施以外加偏压进行工作的高性能光电探测[18]。然而此类光电探测器无法归类于光电导型或自图1-3基于肖特基接触的光电探测器能带示意图。图1-4（a）基于铁电光伏效应的垂直型光电探测器结构图及原理图；（b）基于铁电光伏效应的平面型光电探测器结构图及原理图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高效稳定锡基钙钛矿太阳电池（英文）[J]. 郝锋,谭海仁,靳志文,丁黎明. Science Bulletin. 2020(10)
[2]Formamidinium Lead Bromide （FAPbBr3） Perovskite Microcrystals for Sensitive and Fast Photodetectors[J]. Fengying Zhang,Bin Yang,Kaibo Zheng,Songqiu Yang,Yajuan Li,Weiqiao Deng,Rongxing He. Nano-Micro Letters. 2018(03)
[3]Lead-free organic-inorganic halide perovskites grown with nontoxic solvents[J]. Guozhong Cao. Science Bulletin. 2017(13)
[4]椭圆偏振研究溅射气压对锰膜光学性质的影响[J]. 唐华杰,张晋敏,金浩,邵飞,胡维前,谢泉. 红外与毫米波学报. 2015(03)
[5]半导体氮化物AlInN的光学性质[J]. 蒋立峰,沈文忠,郭其新. 红外与毫米波学报. 2011(03)
博士论文
[1]镱激活的红外下转换材料和铋铕共掺氧化钆的制备及发光性质表征[D]. 韦先涛.中国科学技术大学 2010
本文编号：3217642
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