基于PbI2/Pb5S2I6范德华异质结的光探测器构筑和性能研究

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二维材料因具有极其优异的光电性能,引发了国内外研究者的高度关注。从最初石墨烯的成功分离,到二维层状的范德华材料的发展和制备,二维材料家族越来越庞大。在二维材料具有的优异性能的基础上,研究者们研究了基于一维和二维材料结合的范德华异质结结构的光探测器,相比单一材料光探测器,这种新型范德华异质结光探测器的性能得到了很大程度的提升和改善。到目前为止已报道的诸多关于一维/二维材料范德华异质结的构筑方法主要包括机械搭建、气相沉积、电子束蒸发、磁控溅射和多步水热法等,这些方法都有其相应的局限性或工艺复杂难重复。例如机械搭建的方式很难具有高度重复性,在剥离二维材料时存在重复性低的问题;气相沉积和多步水热法的工艺相对复杂;而电子束蒸发则存在操作成本昂贵的问题。总而言之,发展一种简便有效的方法制备范德华异质结是很有必要且极具挑战的研究。本文针对一维/二维材料范德华异质结研究中存在的问题,基于研究组以前的工作,聚焦于Pb I2(二维)和Pb5S2I6(一维)的范德华异质结,目的是发展一种简易、低价的一步水热法,合成Pb I2(二维)/Pb5S2I6(一维)范德华异质结。具体内容如下:1.基于研究组以前的工作,通过控制水热反应前驱反应原料的摩尔量,单独合成Pb I2和Pb5S2I6。利用水热法,以7 mmol纯氯化铅(Pb Cl2),8 mmol碘(I2)和1.0 mmol硫脲((NH2)2CS)为前驱物制备出尺寸能够达到0.8cm×0.5 cm量级二维片状Pb I2。然后构筑了基于该二维Pb I2光探测器并系统研究其性能,发现较大表面积的Pb I2薄片光探测器仍具有较好的光电性能,5 V电压下其响应度(R)为5.5 m A W-1,暗电流为30 p A左右。当改变前驱反应原料摩尔量为5 mmol纯氯化铅(Pb Cl2),8 mmol碘(I2)和4.0 mmol硫脲((NH2)2CS)制备出Pb5S2I6微米棒,长度能达到几百微米,Pb5S2I6微米棒光探测器进行测试,结果表明它同样具有较好的光电性能,在5 V电压下其响应度为3.1 m A W-1,暗电流为22 p A。2.在上部分的基础上,进一步发展一步水热法,通过调控Pb Cl2,I2和(NH2)2CS的摩尔比,即5 mmol纯氯化铅(Pb Cl2),8 mmol碘(I2)和1.3 mmol硫脲((NH2)2CS)的比例下,可以利用一步水热法成功制备出Pb I2/Pb5S2I6范德华异质结。利用XRD和SEM对产物进行表征,发现二维片状Pb I2直接外延生长在Pb5S2I6晶须上形成了“扇形结构”。依据实验结果并结合晶体结构模型对一步水热法制备出的范德华异质结的可能生长机理进行了探讨。然后构筑了基于Pb I2/Pb5S2I6范德华异质结的光探测器,测试结果表明该器件在5 V电压下暗电流低于20 p A,响应度(R)为134 m A W-1;在0 V电压下光暗电流比为2,有一定的光开关响应,说明了基于Pb I2/Pb5S2I6范德华异质结的光探测器具有单独Pb I2或者Pb5S2I6光探测器所不具有的自供电效应。3.利用光刻技术对Pb I2微米片器件的集成进行了探讨。在上面工作的基础上对二维片状Pb I2进行薄片化,然后尝试通过光刻技术对它进行器件的阵列化,初步在Si O2/Si衬底上制作了线宽为10μm的Pb I2微米片光探测器,这为后续的器件大面积集成提供一定的思路。
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