CH_3NH_3PbCl_3/ZnO紫外探测器的设计制备及其界面效应的研究

doi:CC716A3ECEBCEA6B9DA9806FABE42E67

	CH_3NH_3PbCl_3/ZnO紫外探测器的设计制备及其界面效应的研究
	杨佳霖
学位类型	博士
导师	申德振 ; 刘可为
	2019-06-01
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)
学位授予地点	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)
关键词	ZnO 钙钛矿紫外探测器界面效应载流子动力学
摘要	近年来,紫外探测技术已在臭氧层空洞检测、火焰预警、导弹预警等民用及军用领域得到了广泛的应用。作为紫外探测技术的核心部分,高性能的紫外探测器的制备及研究成为了目前一大研究热点。CH_3NH_3PbCl_3材料的光学带隙约为3.1 eV,对应的波长在紫外波段,而其作为有机-无机钙钛矿材料,具有高的载流子迁移率、长的载流子扩散距离以及高的光吸收率等优点,这使得CH_3NH_3PbCl_3材料非常适用于紫外探测领域。人们利用如体单晶、薄膜以及纳米结构的有机-无机钙钛矿材料制备了不同器件结构的光探测器,这些器件都显示出了良好的性能。尽管人们在有机-无机钙钛矿光探测领域取得了一系列重大的进展,但仍存在一些问题:有机-无机钙钛矿材料对于制备环境十分敏感,导致不同的制备条件制备出来的有机-无机钙钛矿器件的性能大不相同,此外,有机-无机钙钛矿会与空气中的水分子发生反应,从而使其在空气中快速分解,进而导致有机-无机钙钛矿器件性能在空中快速退化。最近,人们发现将有机-无机钙钛矿材料与无机半导体结合可以有效地提升有机-无机光探测器的性能及稳定性。然而这种增强机制仍不是十分清晰,此外,这种方法还未应用于有机-无机钙钛矿紫外探测器领域。ZnO材料因为其从可见盲到日盲连续可调的探测范围、高的电子饱和速率、原料丰富、环境友好等特点在紫外探测领域有着良好的应用前景。因此,将CH_3NH_3PbCl_3材料与ZnO材料相结合制备应该可以得到高性能的有机-无机异质结构紫外光探测器。根据上述的思路,本文开展了相关研究,并取得了一系列阶段性成果,其主要结果如下:1.高质量ZnO薄膜是制备高性能CH_3NH_3PbCl_3/ZnO复合紫外探测器的基础。因此我们利用MBE在c面蓝宝石上生长并制备了高质量的ZnO薄膜,探究空气退火、O_2退火以及O原子束流照射的方法对ZnO薄膜材料电阻的影响,这些后处理方法都在不同程度上减少了ZnO薄膜表面的O空位缺陷,进而提高了ZnO薄膜的电阻。此外,通过优化ZnO薄膜的生长条件,减小Zn源的束流,可以更好地降低ZnO薄膜的暗电流,结果表明这种优化方式可以有效地减少ZnO薄膜内部的O空位缺陷。随后我们对优化生长后的ZnO薄膜材料进行了空气和O_2的退火处理,当利用O_2以900℃对优化生长的ZnO薄膜进行退火处理后,其在10 V偏压下的暗电流为3.16μA,相比于未经过优化以及后处理的ZnO薄膜,在相同偏压下,其电流降低了3个数量级。2.利用经过优化并处理好的ZnO薄膜与CH_3NH_3PbCl_3结合首次制备了CH_3NH_3PbCl_3/ZnO垂直结构紫外探测器。研究了不同的CH_3NH_3PbCl_3制备方法以及不同的衬底对CH_3NH_3PbCl_3薄膜的影响,通过对比发现ZnO上的CH_3NH_3PbCl_3薄膜具有更加平整的表面形貌以及更好的晶体质量。随后我们对制备好的器件进行暗电流与光电流、响应度、I-t曲线以及稳定性的测试,我们发现相比于纯ZnO和纯CH_3NH_3PbCl_3紫外探测器,CH_3NH_3PbCl_3/ZnO紫外探测器的暗电流降低,响应度提高,响应速度提高。其中,CH_3NH_3PbCl_3/ZnO紫外探测器在1 V偏压下的峰值(~365 nm)响应度约为1.47 A/W,下降时间(90%-10%)约为1.2 s。更有趣的是,相比于纯CH_3NH_3PbCl_3紫外探测器,CH_3NH_3PbCl_3/ZnO紫外探测器显示出了更好的空气稳定性。3.利用瞬态吸收光谱对纯ZnO薄膜、纯CH_3NH_3PbCl_3薄膜以及CH_3NH_3PbCl_3/ZnO复合薄膜中的光生载流子动力学过程进行了详细地研究,通过与这几种薄膜的稳态吸收光谱和稳态光致发光光谱综合分析得到,在紫外光照射的条件下,CH_3NH_3PbCl_3/ZnO复合薄膜中会出现光生载流子从CH_3NH_3PbCl_3薄膜中向ZnO薄膜中转移的现象,而这种现象使得CH_3NH_3PbCl_3/ZnO复合薄膜中ZnO的近带边发光相比于纯ZnO薄膜有明显的增强。我们通过对CH_3NH_3PbCl_3/ZnO复合薄膜的光学性能及其紫外探测器的电学性能进行综合分析得到,ZnO上的CH_3NH_3PbCl_3薄膜更高的晶体质量以及CH_3NH_3PbCl_3/ZnO复合薄膜对光生载流子有效地分离与转移是CH_3NH_3PbCl_3/ZnO紫外探测器相比于纯ZnO和纯CH_3NH_3PbCl_3紫外探测器,各个性能指标都有所进步的主要原因。本论文的工作为高性能稳定的有机-无机钙钛矿光探测器的制备提供了有效的方法以及相对完整的物理图像。
页数	112
DOI	CC716A3ECEBCEA6B9DA9806FABE42E67
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63889
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	杨佳霖. CH_3NH_3PbCl_3/ZnO紫外探测器的设计制备及其界面效应的研究[D]. 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). 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),2019.

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