一维有机-无机卤化铅钙钛矿的制备及光电探测器应用

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光电探测器是一种可以将光信号转换成电信号的器件,它在光通信、光谱学、环境监测、生物传感器领域有着广泛的应用。近年来,由于卤化铅钙钛矿具有吸收系数高,光吸收范围宽,载流子扩散长度长,载流子迁移率高以及可溶液加工等特点,被视为是下一代半导体材料。相比于传统的无机半导体材料,基于卤化铅钙钛矿的优点,可以制备出低成本、大面积、柔性、多功能的卤化铅钙钛矿光电探测器。在卤化铅钙钛矿众多的结构(单晶、薄膜、低维钙钛矿)中,一维卤化铅钙钛矿具有高的比表面和一维限域效应,是制备光电探测器的有利材料。但是高质量一维卤化铅钙钛矿不易制备,光生载流子容易在表面复合。因此高质量的一维卤化铅钙钛矿的高效合成,以及提高对载流子分离和传输的结构设计,对一维卤化铅钙钛矿探测器的应用发展具有非常重要的意义。本文介绍了一种新的一维有机-无机卤化铅钙钛矿微米线的合成方法,对微米线进行设计构建出了有利于载流子分离和传输的核壳异质结结构,并成功制备高性能的光电探测器,主要研究工作如下:1.一维(CH3)2C=NHCH3PbBr3卤化铅钙钛矿微米线的制备。CH3NH3PbBr3卤化铅钙钛矿单晶与丙酮溶液反应,通过A位阳离子的反应诱导钙钛矿晶体相变,可以得到厘米级的(CH3)2C=NHCH3PbBr3卤化铅钙钛矿微米线,产率高达80%。研究证实,要与CH3NH3PbBr3卤化铅钙钛矿单晶中的A位阳离子CH3NH3+发生反应,有机试剂除了要含有能与CH3NH3+反应的官能团外,有机试剂分子的尺寸也必须合适。单晶X射线衍射测试表明(CH3)2C=NHCH3PbBr3卤化铅钙钛矿微米线属于三方晶系,具有独特的面共享三棱柱晶体结构。2.一维(CH3)2C=NHCH3PbBr3/CH3NH3PbBr3核壳异质结微米线的设计。通过研究发现,在有水存在的条件下,A位阳离子反应是可逆的。(CH3)2C=NHCH3PbBr3卤化铅钙钛矿微米线的表面会缓慢地转换成CH3NH3PbBr3卤化铅钙钛矿单晶,从而形成表面是CH3NH3PbBr3卤化铅钙钛矿层和内部是(CH3)2C=NHCH3PbBr3卤化铅钙钛矿层的(CH3)2C=NHCH3PbBr3/CH3NH3PbBr3核壳异质结微米线。随着核壳异质结的形成,源自CH3NH3PbBr3卤化铅钙钛矿的发光强度也增强。重塑的CH3NH3PbBr3卤化铅钙钛矿不仅结晶质量较高,而且稳定,在空气中放置454天也不分解。这种具有高稳定的一维核壳异质结微米线,为卤化铅钙钛矿光电探测器的应用奠定了坚实的基础。3.一维(CH3)2C=NHCH3PbBr3/CH3NH3PbBr3核壳异质结光电探测器的性能研究。在单根(CH3)2C=NHCH3PbBr3卤化铅钙钛矿微米线的两端分别滴上银浆作为光电探测器的电极,使电极的距离尽可能近,但不能形成短路。然后将其暴露在空气中,(CH3)2C=NHCH3PbBr3卤化铅钙钛矿微米线未被银浆覆盖的区域表层会转换成CH3NH3PbBr3卤化铅钙钛矿,这样就得到了叉指型的(CH3)2C=NHCH3PbBr3/CH3NH3PbBr3核壳异质结微米线光电探测器。对光电探测器进行测试发现,得益于异质结结构的存在能抑制了载流子的复合,增长了载流子寿命,有利于载流子的分离,在460nm的光激发下,(CH3)2C=NHCH3PbBr3/CH3NH3PbBr3核壳异质结探测器具有较大的响应度(66.8mA W-1),高响应速度(2.8ms/0.8ms)。
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