CN109119495A - 一种柔性光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种柔性光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种柔性光电探测器及其制备方法，涉及光电探测器技术领域。一种柔性光电探测器，柔性光电探测器包括柔性基材、形成于柔性基材表面的MXene柔性电极以及形成于MXene柔性电极表面的CsPbBr3半导体层。该柔性光电探测器具有较好的柔性和光电性能，并且能够大面积阵列地制备。

Description

一种柔性光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，且特别涉及一种柔性光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器的工作原理是基于光电效应，光电探测器能把光信号转换为电信号。其在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
现有光电探测器的电极通常为金、银等贵金属，或弯曲性能较差的ITO电极。这些材料制得的光电探测器通常成本极高或器件为刚性的，不适用于当前的可弯曲的电子器件的要求。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种柔性光电探测器，其同时具有较好的弯曲性能和光电性能。
本发明的第二目的在于提供一种柔性光电探测器的制备方法，其能大面积阵列地制备柔性光电探测器。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种柔性光电探测器，柔性光电探测器包括柔性基材、形成于柔性基材表面的MXene柔性电极以及形成于MXene柔性电极表面的CsPbBr3半导体层。
一种如上述的柔性光电探测器的制备方法，包括：
将MXene粉末分散于水中进行超声处理及离心处理以形成MXene胶体溶液；
将MXene胶体溶液喷涂于柔性基材表面并进行加热干燥形成MXene柔性导电层，对MXene柔性导电层进行加工形成预设形状的MXene柔性电极；
将CsPbBr3钙钛矿片形成于MXene柔性电极表面并进行干燥得到CsPbBr3半导体层。
本发明实施例的有益效果是：
本申请的柔性光电探测器由柔性基材、MXene柔性电极以及CsPbBr3半导体层组成，MXene柔性电极具有较好的柔性和导电性，CsPbBr3半导体层具有较好的吸光效果和电传输特性，MXene柔性电极能提高CsPbBr3半导体层的电子-空穴的快速分离，从而保证了柔性光电探测器在弯曲状态下也具有较好的光电性能。
本申请的柔性光电探测器的制备方式中，通过MXene粉末超声和离心处理后能够形成MXene胶体溶液，MXene胶体溶液通过喷涂能够均匀地形成于柔性基材表面以形成薄膜，这种方法能够大面积进行喷涂。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的MXene粉末的SEM测试图；
图2为本发明实施例1的MXene粉末的TEM测试图；
图3为本发明实施例1的MXene柔性导电层的SEM测试图；
图4为本发明实施例1的MXene柔性电极的SEM测试图；
图5a为实施例1-5的柔性光电探测器的电流-电压的测试曲线；
图5b为实施例2-6的柔性光电探测器的电流-时间的测试曲线；
图6为实施例2的柔性光电探测器在光照强度为7.07mW/mm2和黑暗条件下的电流-电压的测试曲线；
图7为实施例4的柔性光电探测器在不同光照强度和黑暗条件下的电流-电压的测试曲线；
图8为实施例4的柔性光电探测器的电流-时间的测试曲线；
图9为实施例3的柔性光电探测器在不同弯曲角度下的光电性能图；
图10为实施例3的柔性光电探测器在不同弯折次数的光电性能图；
图11为实施例7的柔性光电探测器的显微镜测试图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种柔性光电探测器及其制备方法进行具体说明。
一种柔性光电探测器，柔性光电探测器包括柔性基材、形成于柔性基材表面的MXene柔性电极以及形成于MXene柔性电极表面的CsPbBr3半导体层。
MXene是一种二维材料，其指的是二维层状过渡金属碳化物。MXene形成的柔性电极层具有较好的柔性和导电性，其在弯曲状态下也能具有较好的导电性能。
CsPbBr3钙钛矿为无机半导体材料，其能够吸收光子以及产生电子空穴，其具有较好的吸光效果和电传输特性。
本实施方式的柔性光电探测器由柔性基材、MXene柔性电极以及CsPbBr3半导体层组成，MXene柔性电极具有较好的柔性和导电性，CsPbBr3半导体层具有较好的吸光效果和电传输特性，MXene柔性电极能提高CsPbBr3半导体层的电子-空穴的快速分离，从而保证了柔性光电探测器在弯曲状态下也具有较好的光电性能。
在本实施方式中，CsPbBr3半导体层由CsPbBr3钙钛矿纳米片组成形成于MXene柔性电极表面并进行干燥得到。其中，CsPbBr3钙钛矿纳米片为单晶结构。
另外，柔性基材包括纸、哑银、聚对苯二甲酸乙二醇酯(英文简称为PET)或聚氨萘二甲酸乙二醇酯(英文简称为PEN)。柔性基材的厚度为75～85μm。
一种如上述的柔性光电探测器的制备方法，包括：
将MXene粉末分散于水中进行超声处理及离心处理以形成MXene胶体溶液。
其中，MXene粉末可以选用自制的或是直接购买的。MXene粉末通过超声和离心处理后能够形成MXene胶体溶液，MXene胶体溶液通过喷涂能够均匀地形成于柔性基材表面形成薄膜。
在一些实施方式中，超声处理的时间为40-80min。在一些实施方式中，离心处理的转速为3300-3600r/min，离心处理的时间为40-80min。本实施方式采用的超声处理时间以及离心处理所采用的转速和离心时间能充分保证MXene粉末分散在水中形成MXene胶体溶液并离心掉大尺寸的MXene确保溶液的均匀性。
将得到的MXene胶体溶液喷涂于柔性基材表面并进行加热干燥形成MXene柔性导电层，对MXene柔性导电层进行加工形成预设形状的MXene柔性电极。
在本实施方式中，采用喷涂的方式，可以大面积地制备MXene柔性电极。对MXene柔性导电层进行加工的步骤采用的是紫外激光冷加工工艺。由于紫外光子为高能量分子，作用于MXene柔性导电层会将其快速脱离于柔性基材，且不会产生过多热量，因而形成的MXene柔性电极边缘会更加平整。
其中，MXene柔性电极可阵列，其形状可包括但不限于盘绕式。具体的MXene柔性电极形状可根据实际使用情况进行设计制造。
另外，MXene柔性电极的导电性和厚度由喷涂参数决定，喷涂参数具体包括喷涂气压、喷涂次数、喷涂面积和MXene胶体溶液浓度。
将CsPbBr3钙钛矿片形成于MXene柔性电极表面并进行干燥得到CsPbBr3半导体层。
在将CsPbBr3钙钛矿片形成于MXene柔性电极表面的过程中，可以采用滴涂或刮涂的方式进行。其中，对于大面积阵列的MXene柔性电极，可采用刮涂的方式进行，这样能够提高效率。另外，该步骤中干燥所采用的加热方式为70℃下保温10min。
本实施方式最终得到的柔性光电探测器能够由于具有较好的柔性和光电性能，因而可以大面积阵列，从而实现可弯曲的图像传感。另外，该柔性光电探测器也可应用于可弯曲的柔性光电器件中。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
将MXene粉末分散于去离子水中进行超声处理1h后，然后以3500r/min的转速进行离心处理1h，形成MXene胶体溶液。
将MXene胶体溶液喷涂于纸基材表面，并用红外光实时加热进行干燥，从而形成3um厚的MXene柔性导电层。
采用紫外激光机对MXene柔性导电层进行加工形成盘绕式的MXene柔性电极。
将CsPbBr3钙钛矿单晶纳米片滴涂在MXene柔性电极表面，并在70℃下进行干燥处理10min，从而得到柔性光电探测器。
实施例2
将MXene粉末分散于去离子水中进行超声处理1h后，然后以3500r/min的转速进行离心处理1h，形成MXene胶体溶液。
将MXene胶体溶液喷涂于80um厚的纸基材表面，并用红外光实时加热进行干燥，从而形成6um厚的MXene柔性导电层。
采用紫外激光机对MXene柔性导电层进行加工形成盘绕式的MXene柔性电极。
将CsPbBr3钙钛矿单晶纳米片滴涂在MXene柔性电极表面，并在70℃下进行干燥处理10min，从而得到柔性光电探测器。
实施例3
将MXene粉末分散于去离子水中进行超声处理1h后，然后以3500r/min的转速进行离心处理1h，形成MXene胶体溶液。
将MXene胶体溶液喷涂于80um厚的纸基材表面，并用红外光实时加热进行干燥，从而形成9um厚的MXene柔性导电层。
采用紫外激光机对MXene柔性导电层进行加工形成盘绕式的MXene柔性电极。
将CsPbBr3钙钛矿单晶纳米片滴涂在MXene柔性电极表面，并在70℃下进行干燥处理10min，从而得到柔性光电探测器。
实施例4
将MXene粉末分散于去离子水中进行超声处理1h后，然后以3500r/min的转速进行离心处理1h，形成MXene胶体溶液。
将MXene胶体溶液喷涂于80um厚的纸基材表面，并用红外光实时加热进行干燥，从而形成12um厚的MXene柔性导电层。
采用紫外激光机对MXene柔性导电层进行加工形成盘绕式的MXene柔性电极。
将CsPbBr3钙钛矿单晶纳米片滴涂在MXene柔性电极表面，并在70℃下进行干燥处理10min，从而得到柔性光电探测器。
实施例5
将MXene粉末分散于去离子水中进行超声处理1h后，然后以3500r/min的转速进行离心处理1h，形成MXene胶体溶液。
将MXene胶体溶液喷涂于80um厚的纸基材表面，并用红外光实时加热进行干燥，从而形成15um厚的MXene柔性导电层。
采用紫外激光机对MXene柔性导电层进行加工形成盘绕式的MXene柔性电极。
将CsPbBr3钙钛矿单晶纳米片滴涂在MXene柔性电极表面，并在70℃下进行干燥处理10min，从而得到柔性光电探测器。
实施例6
将MXene粉末分散于去离子水中进行超声处理1h后，然后以3500r/min的转速进行离心处理1h，形成MXene胶体溶液。
将MXene胶体溶液喷涂于80um厚的纸基材表面，并用红外光实时加热进行干燥，从而形成18um厚的MXene柔性导电层。
采用紫外激光机对MXene柔性导电层进行加工形成盘绕式的MXene柔性电极。
将CsPbBr3钙钛矿单晶纳米片滴涂在MXene柔性电极表面，并在70℃下进行干燥处理10min，从而得到柔性光电探测器。
实施例7
将MXene粉末分散于去离子水中进行超声处理40min后，然后以3300r/min的转速进行离心处理40min，形成MXene胶体溶液。
将MXene胶体溶液喷涂于75um厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯基材表面，并用红外光实时加热进行干燥，从而形成12um厚的MXene柔性导电层。
采用紫外激光机对MXene柔性导电层进行加工形成沟道式的阵列MXene柔性电极。
将CsPbBr3钙钛矿单晶纳米片滴涂在MXene柔性电极表面，并在70℃下进行干燥处理10min，从而得到柔性光电探测器。
实施例8
将MXene粉末分散于去离子水中进行超声处理80min后，然后以3600r/min的转速进行离心处理40min，形成MXene胶体溶液。
将MXene胶体溶液喷涂于85um厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯基材表面，并用红外光实时加热进行干燥，从而形成12um厚的MXene柔性导电层。
采用紫外激光机对MXene柔性导电层进行加工形成沟道式的MXene柔性电极。
将CsPbBr3钙钛矿单晶纳米片滴涂在MXene柔性电极表面，并在70℃下进行干燥处理10min，从而得到柔性光电探测器。
实施例9
将MXene粉末分散于去离子水中进行超声处理80min后，然后以3400r/min的转速进行离心处理80min，形成MXene胶体溶液。
将MXene胶体溶液喷涂于聚对苯二甲酸乙二醇酯基材表面，并用红外光实时加热进行干燥，从而形成12um厚的MXene柔性导电层。
采用紫外激光机对MXene柔性导电层进行加工形成沟道式的MXene柔性电极。
将CsPbBr3钙钛矿单晶纳米片滴涂在MXene柔性电极表面，并在70℃下进行干燥处理10min，从而得到柔性光电探测器。
试验例1
(1)将实施例1的MXene粉末在扫描电子显微镜下观察，其SEM测试图如图1所示。
(2)将实施例1的MXene粉末在透射电子显微镜下观察，其TEM测试图如图2所示。
(3)将实施例1中形成的MXene柔性导电层在扫描电子显微镜下观察，其SEM测试图如图3所示。
(4)将实施例1中形成的MXene柔性电极在扫描电子显微镜下观察，其SEM测试图如图4所示。
结果分析：从图3可以看出，MXene胶体溶液喷涂到柔性基材表面形成的MXene柔性导电层表面较均匀。从图4中可以看出，经紫外激光机紫外激光冷加工处理后得到的MXene柔性电极边缘整齐。
试验例2
(1)将实施例1-5得到的柔性光电探测器进行光电性能测试，得到电流-电压的测试曲线，其结果如图5a所示；对实施例2-6得到的柔性光电探测器进行光电性能测试，得到电流-时间的测试曲线，其结果如图5b所示。
结果分析：图5a的结果说明本实施例1-5的柔性光电探测器的光电流与电压具有良好的线性关系。从图5b可以看出，本实施例2-6的柔性光电探测器具有快速的光响应能力。
(2)对实施例2的柔性光电探测器在光照强度为7.07mW/mm2和黑暗条件下进行进行光电性能测试，得到电流-电压的测试曲线，其结果如图6所示，其中，处于下方的线条为黑暗条件下的测试结果。
结果分析：从图6中可以看出，实施例2的柔性光电探测器的暗电流能达到约10-9A，开关比能达到103以上。
(3)对实施例4的柔性光电探测器在黑暗条件下和不同的光照条件下进行光电性能测试，得到电流-电压的测试曲线，其结果如图7所示。
结果分析：从图7中可以看出，实施例4的柔性光电探测器表现出肖特基接触，但只有轻微的整流特性，表明MXene柔性电极与CsPbBr3的接触势垒较低。
(4)测试实施例4的柔性光电探测器的响应时间进行测试，得到电流-时间的测试曲线，其结果记录在图8中。
结果分析：从图8中可以看出，实施例4的柔性光电探测器具有快速的光响应能力。这得益于CsPbBr3单晶材料中无晶界，表面缺陷少，对电子和空穴的传输能力更强；以及MXene优异的导电性和其能级匹配，达到较低的光生载流子的传输势垒。
(5)对实施例3的柔性光电探测器弯曲成不同角度，测试其在不同弯曲角度下的光电性能，其结果如图9所示。
结果分析：从图9可以看出，实施例3的柔性光电探测器弯曲成不同的角度，即使在弯曲状态下也具有较好的光电性能。当柔性光电探测器处于自然状态(180°)时，光电流为5.76uA，弯曲状态下光电流有明显的下降是因为MXene层间距的增加或弯曲时外弯角受到拉应力，导致MXene电极片层间略微错位，从而导致MXene电极导电性略微降低；但这也使片层间的活动范围增加，随着弯曲角度增加，MXene电极的拉应力能在片层的活动范围内得到降低，因此弯曲角度增加光电流衰减变缓，基本能保持在同光电流下，柔性光电探测器性能保持稳定。
(6)将实施例3的柔性光电探测器重复弯曲成160°，测试其不同弯曲次数后的光电性能，其测试结果如图10所示。
结果分析：从图10中可以看出，即使反复弯曲柔性光电探测器1500次，柔性光电探测器也具有较好的光电性能。CsPbBr3纳米片以及MXene的薄层片状结构不仅能够桥接起片层间的载流子传输，而且薄片状也凸显了其在弯曲循环下柔韧性的特征，不易被折断，从而保证了柔性光电探测器的光电性能。说明了本实施例3的柔性光电探测器具有较好的柔性。
(7)将实施例7的柔性光电探测器在显微镜下观察，其测试图如图11所示。
综上所述，本发明实施例的柔性光电探测器由柔性基材、MXene柔性电极以及CsPbBr3半导体层组成，MXene柔性电极具有较好的柔性和导电性，CsPbBr3半导体层具有较好的吸光效果和电传输特性，MXene柔性电极能提高CsPbBr3半导体层的电子-空穴的快速分离，从而保证了柔性光电探测器在弯曲状态下也具有较好的光电性能。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种柔性光电探测器，其特征在于，所述柔性光电探测器包括柔性基材、形成于所述柔性基材表面的MXene柔性电极以及形成于所述MXene柔性电极表面的CsPbBr3半导体层。
2.根据权利要求1所述的柔性光电探测器，其特征在于，所述CsPbBr3半导体层由CsPbBr3钙钛矿纳米片形成于所述MXene柔性电极表面并进行干燥得到。
3.根据权利要求2所述的柔性光电探测器，其特征在于，所述CsPbBr3钙钛矿纳米片为单晶结构。
4.根据权利要求1所述的柔性光电探测器，其特征在于，所述柔性基材包括纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氨萘二甲酸乙二醇酯。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
将MXene粉末分散于水中进行超声处理及离心处理以形成MXene胶体溶液；
将所述MXene胶体溶液喷涂于柔性基材表面并进行加热干燥形成MXene柔性导电层，对所述MXene柔性导电层进行加工形成预设形状的所述MXene柔性电极；
将CsPbBr3钙钛矿片形成于所述MXene柔性电极表面并进行干燥得到所述CsPbBr3半导体层。
6.根据权利要求5所述的柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，所述超声处理的时间为40-80min。
7.根据权利要求5所述的柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，所述离心处理的时间为40-80min。
8.根据权利要求5所述的柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，对所述MXene柔性导电层进行加工的步骤采用紫外激光冷加工工艺进行加工。
9.根据权利要求5所述的柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，所述CsPbBr3钙钛矿片形成于所述MXene柔性电极表面的步骤采用滴涂或刮涂的方式进行。
10.根据权利要求5所述的柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，将CsPbBr3钙钛矿片形成于所述MXene柔性电极表面，并在70℃干燥10min。
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