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一種提高光電探測器探測性能的解決方案
2022-05-25 15:05:20 | 新聞中心          瀏覽量:56

      利用量子限域效應,半導體膠體量子點(CQDs)因其優異的光電性能而日益受到人們的關注,被廣泛應用到發光二極管(LED)、激光器、太陽能電池和光電探測器等光電器件中,大大提高了器件的光電性能。硫化鉛(PbS)量子點由于其易于溶液處理、大面積器件制備、成本低、機械柔韌性強、激子玻爾半徑大(~18nm)等優點,在光電器件中得到廣泛的應用。通常,基于膠體量子點的光電探測器的暗電流和光電流都偏低,而且通過量子點表面處理、或相應的器件結構優化在提高光電流的同時,其暗電流也會有相應地提高;或者,在抑制器件暗電流的同時,其光電流也被相應地抑制住,導致器件的探測性能提高程度有限。近日,北京理工大學楊盛誼課題組在原來用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜作為疊層器件的夾層(interlayer)來抑制暗電流進而提高光電探測器性能(Nanotechnology 2019, 30(46): 465203)的基礎上,提出將Au納米顆粒摻入PMMA中作為夾層既可以抑制暗電流也可以提高光電流,從而為進一步提高疊層光電探測器的探測性能提供了解決方案(ACS Applied Materials & Interfaces)。

含PMMA:Au夾層的疊層光電探測器

圖1 (a)含PMMA:Au夾層的疊層光電探測器能帶圖及其載流子傳輸示意圖;


光電探測器橫截面SEM圖

(b) 含PMMA:Au夾層的疊層光電探測器橫截面SEM圖


如圖1(a)所示,PbS和CsSnBr3導帶之間的勢壘高度為0.97 eV,而PbS和CsSnBr3價帶之間的勢壘高度僅為0.2eV,這將有助于光生載流子從PbS:CsSnBr3薄膜流出,并最終到達陰極或陽極。在左側的PbS:CsSnBr3薄膜探測器單元中,光生電子將會被ZnO提取并在ZnO/PMMA:Au界面處積累。同時,另一側的光生空穴將會被CuSeN提取并在CuSeN/PMMA:Au界面處積累。由于PMMA為絕緣體,此時PMMA:Au夾層將起到“超級”電容器的作用,其兩側的載流子無法隧穿至另一側,所以,通過器件的暗電流會受到很大程度的抑制。


暗電流被抑制了,而光電流卻沒有被抑制,這又是因為什么呢?在光照條件下,上述疊層光電探測器將會有越來越多的載流子聚集在PMMA:Au兩側,貫穿PMMA:Au薄膜兩側的電場強度也會越來越大。與此同時,該電場強度達到一定值之后,PMMA層中的Au納米顆粒會俘獲一定數量的電子,而被俘獲的電子又會在PMMA中形成一個局部電場。在一定的偏壓下,就會因為隧穿薄膜而出現很高的光電流。因此,通過在疊層光電探測器中使用PMMA:Au夾層,能使光電探測器的暗電流在被抑制的同時,也確保了器件具備高的光電流值。為了獲得PMMA:Au夾層的最佳實驗效果,他們首先制備了二極管器件ITO/PMMA:Au/Ag(其中Au納米顆粒的粒徑為10 nm),通過優選Au納米顆粒的摻雜比例(0.5%、1.0%、2.0%、5.0%和10%),發現0.5%的摻雜為疊層光電探測器的最佳摻雜比例。此外,他們還對器件ITO/PMMA:Au/Ag中的有源層厚度進行了優化,最終選擇35 nm厚的PMMA:Au夾層應用在疊層光電探測器之中。


疊層光電探測器的I-V曲線

圖2(a) Au納米顆粒摻雜比例不同的PMMA:Au薄膜所制備的疊層光電探測器的I-V曲線;

(b) 厚度不同的PMMA:Au薄膜所制備的疊層光電探測器的I-V曲線


為了弄清楚Au納米顆粒的具體作用,他們分別制備出了以下四種類型的器件:

(1) Device A: ITO/PEDOT:PSS/PbS:CsSnBr3/ZnO/PMMA/CuSeN/PbS:CsSnBr3/ZnO/Ag(PMMA薄膜不含Au納米顆粒);

(2) Device B: ITO/PEDOT:PSS/PbS:CsSnBr3/ZnO/PMMA:Au/CuSeN/PbS:CsSnBr3/ZnO/Ag(含PMMA:Au中間層);

(3) Device C: ITO/PEDOT:PSS/PbSCsSnBr3/ZnO/CuSeN/PbS:CsSnBr3/ZnO/Ag(不含PMMA:Au中間層);

(4) Device D: ITO/PEDOT:PSS/PbS:CsSnBr3/ZnO/Ag(單節光探測器)。


研究發現,由于PMMA:Au夾層的插入,疊層光電探測器的暗電流得到了很大程度的抑制,而其光電流也得到了很大程度的提高。當疊層光電探測器兩端施加一定的偏壓時,光生電子被右側的ZnO提取后會直接流向Ag電極;而光生空穴則在被PEDOT:PSS提取后則直接流向ITO電極。


圖3 在300 μW/cm2的532 nm激光照射下,三種不同結構的光電探測器的I-V曲線

四種光電探測器的相關參數

表1當偏壓為-1V時,在光照強度分別為300 μW/cm2和270 μW/cm2的532 nm和850 nm激光照射下的四種光電探測器的相關參數


圖4 在不同光照強度下,器件(A、B及C)的光電流(a)、光響應(b)、“明/暗”電流比(c)和歸一化探測率(d)


由圖4可知,光電探測器的光電流和“明/暗”電流比都會隨光照強度的增加而提高。同時,光電探測器的光響應度和歸一化探測率(D*)卻隨光照強度的增加而降低。而器件B(即含PMMA:Au夾層)則是上述器件中性能最好的。在-1V偏壓下以及300 μW/cm2的532 nm激光照射下,其歸一化探測率高達2.41015Jones,而該結構的單節光電探測器在相同條件下的歸一化探測率卻只有1.821012 Jones??梢?,PMMA:Au夾層起到了電子“存儲節點”的作用,因而能極大地提高了光電探測器的性能。


該研究的最大意義在于,通過簡單的制備即可得到具有電子“存儲節點”作用的夾層材料(如PMMA:Au),它能極大地抑制暗電流并提高光電流,因而能提高光電探測器的探測性能。這為制備高性能光電探測器提供了重要思路。


參考文獻:[1] Muhammad Sulaman, Yong Song*, Shengyi Yang*, QunHao, Yuejin Zhao, Maoyuan Li, Muhammad Imran Saleem, Perumal VeeramalaiChandraseakar, Yurong Jiang, Yi Tangand BingsuoZou, High-performancesolution-processed colloidal quantum dots-based tandem broadband photodetectorswith dielectric interlayer, Nanotechnology 30 (2019) 465203(9pp)

[2] MuhammadSulaman, Yong Song*, Shengyi Yang*, Muhammad ImranSaleem, Maoyuan Li, Chandrasekar Perumal Veeramalai, Ruonan Zhi, Yurong Jiang,Yanyan Cui, Qun Hao, Bingsuo Zou, Interlayer of PMMAdoped with Au nanoparticles for high-performance tandem photodetectors: asolution to suppress dark current and maintain high photocurrent. (to bepublished in ACS Applied Materials and Interfaces)


本文來源:《材料科學前沿》 ,版權歸作者所有!如有異議,請聯系我們處理!


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