铯铅卤钙钛矿纳米晶的合成及其在光电探测器中的应用研究

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铯铅卤钙钛矿纳米晶(CsPb X3,X=Cl,Br,I)因其光吸收系数高、尺寸带隙可调、荧光量子产率高等优异的光学性能,在显示、激光、光伏、光探测等领域展现出较好的应用前景。发展CsPb X3纳米晶的高效合成及光电性能调控方法是目前研究的焦点。另外,将CsPb X3纳米晶应用于光电探测领域并实现高效光探测也是目前研究的难点。为此,该学位论文提出在化学合成过程中对CsPb X3纳米晶掺杂改性,并通过调节反应前驱体和配体含量,合成具有不同尺寸与组分的钙钛矿纳米晶,进而构筑高性能紫外光电探测器。本文主要研究内容与结论如下:(1)低温合成Sn2+掺杂的CsPb1-xSnxBr3纳米晶的研究:通过Sn2+部分置换CsPb Br3纳米晶中的Pb2+,可调控其光学性质,而在CsPb1-xSnxBr3纳米晶的合成过程中,Sn2+易被氧化为Sn4+。本文采用低温热注入法合成了尺寸分布均匀的CsPb1-xSnxBr3纳米晶,并通过采用高纯氮气保护和低温反应环境,确保Sn以二价形式存在于CsPb1-xSnxBr3纳米晶中。将反应温度从150 oC降到105 oC,纳米晶的几何尺寸从~8.3 nm减小至~6.2 nm,其发光峰由507 nm蓝移至488 nm。当反应温度为135 oC时,CsPb1-xSnxBr3纳米晶的Sn2+比例约为3.4%。(2)蓝光CsPb Br3纳米晶的合成研究:蓝光CsPb Br3纳米晶面临荧光量子产率低、化学稳定性差等问题,制约其在光电器件中的应用。本文通过在热注入合成中提高酸性配体比例,将CsPb Br3纳米晶的尺寸调低至6 nm以下,CsPb Br3纳米晶的光致发光峰蓝移至465 nm,其荧光量子产率达30%。在此基础上,通过在CsPb Br3纳米晶中掺杂部分Cl元素(10%)将发光峰进一步蓝移至450 nm。(3)基于CsPb0.966Sn0.034Br3纳米晶的紫外光电探测器研究:光电探测器界面的缺陷态可捕捉光生载流子,进而调节界面处的载流子注入势垒,获得光电倍增效应。本文通过在光电探测器薄膜界面引入CsPb0.966Sn0.034Br3纳米晶,该探测器在暗态条件下具有较高肖特基势垒,暗电流较小,而在光照条件下,钙钛矿纳米晶可作为缺陷捕捉光生载流子导致能带弯曲,势垒变薄,进而实现了电子在反向偏压下从PVK到PC60BM的隧穿效应,获得了光电倍增效果。该探测器结合了光伏型和光导型两种常规光电探测器的优点,兼具低暗电流和增益。在-7 V的反向偏压下,该探测器在310~400 nm的比探测率达1011 Jones,在波长340 nm附近具有1940%的外量子效率,响应度为5 A/W,响应时间约为1.16 ms。
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