CN110556478B - 一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器，包括衬底、光电导层和金属电极，所述衬底由柔性或刚性的基底组成，所述光电导层位于衬底表面，所述光电导层由具有等离激元效应的金属纳米颗粒和钙钛矿组成，且金属电极位于光电导层表面，并构成导电电极。本发明主要由具有等离激元效应的金属纳米颗粒和钙钛矿作为光吸收材料，形成光电导结构，利用钙钛矿较大的消光系数高效吸光，并通过与金属纳米颗粒等离激元实现光耦合作用，放大器件对弱光的响应，最终通过光电导模式实现光电转换，使器件可探测5pW的弱光信号，其光响应度为1A/W，对今后基于离激元效应的钙钛矿弱光探测器研发具有极大的指导价值和意义。

Description

一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器
技术领域
本发明涉及探测器技术领域，具体为一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器。
背景技术
光电探测器是一种利用半导体材料吸收光能，并通过光电效应形成光电流输出的电子器件，目前，基于各种光电子应用和可穿戴器件的发展，高灵敏的柔性弱光探测器变得越来越重要，这是因为这类器件可在实现柔韧性的同时，获得高分辨的弱光探测，因此，这类器件在电子眼、生物传感、智能标签等新兴领域获得诸多应用，目前，主流的光电探测器主要由碳化硅、磷化镓、铟镓砷等半导体材料构成紫外、可见、近红外光电探测器，然而，受限于这些半导体自身的光吸收转换、制备工艺复杂以及本身较高的热载流子分布因素，导致器件具有较高的暗噪声水平，最终使其丧失弱光探测能力，或者必须工作在制冷模式中，最近，有研究表明，将金属纳米晶引入到光探测器件中，可有效增强其电学和光学性能，一方面，金属体内具有大量的自由电子，可提高器件的电导性，另一方面，光激发作用下，它们具有迷人的纳米光学特性，即表面等离激元共振，使其能够在紫外、可见、近红外光谱范围内响应，并耦合到光敏层中增强器件光吸收与转换。
刚出现的三卤素钙钛矿已经被证实是一类大有前途的光电材料，可广泛应用于光探测，这类材料具有出色的光电特性，如较大的光吸收横截面、长的载流子扩散长度、低的电荷陷阱密度以及高的迁移率，与此同时，它们也具备有效的溶液加工性和柔性衬底兼容性，然而，该明星材料仍旧不足以实现皮瓦级的弱光探测，为此，我们提出一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器，包括衬底、光电导层和金属电极，所述衬底由柔性或刚性的基底组成，所述光电导层位于衬底表面，所述光电导层由具有等离激元效应的金属纳米颗粒和钙钛矿组成，且金属电极位于光电导层表面，并构成导电电极。
优选的，所述具有等离激元效应的金属纳米颗粒未金、银、铜或铝中的一种或多种(优选为金纳米颗粒)，且金属纳米颗粒的粒径为1-20nm(优选为5nm)，且金属纳米颗粒可位于钙钛矿层的底部、中间或表面(优选位于底部)，厚度为0.2-5nm(优选为1nm)，钙钛矿为三卤素钙钛矿，厚度为10-500nm(优选为300nm)，具有ABX3结构，其中A为Cs、MA或FA中的一种或多种，B为Pb或Sn中的一种或两种，X为Cl、Br或I中的一种多种(优选方案为甲胺铅碘钙钛矿)，金属电极为金、银、铜或铝中的一种或多种(优选为金电极)，厚度50nm。
优选的，其还包括制备方法，且制备方法包括以下步骤：首先利用真空蒸镀设备将5nm的金纳米颗粒淀积在衬底表面，并原位60℃热退火1h形成金纳米晶，随后将甲基碘化胺与碘化铅按1：1的摩尔比溶于N，N-二甲基甲酰胺中形成甲胺铅碘钙钛矿的前驱体溶液，紧接着将甲胺铅碘钙钛矿溶液滴于石英玻璃表面，利用旋涂设备1500r/min旋转1min形成薄膜，并将薄膜置于真空干燥箱中100℃退火1h形成多孔结构的钙钛矿薄膜，最后，在薄膜表面利用真空蒸镀设备制备50nm厚的金薄膜形成金属电极。
优选的，其还包括验证检测，且验证检测方法包括金纳米晶/甲胺铅碘钙钛矿光电导异质结的吸收光谱、弱光探测器在黑暗和光照条件下的电流-电压特性和弱光探测器在极弱光(5pW)条件下的开关特性，且金纳米晶/甲胺铅碘钙钛矿光电导异质结的吸收光谱为：利用稳态吸收光谱检测手段，采用安捷伦carry 5000仪器对金纳米晶、甲胺铅碘钙钛矿和金纳米晶/甲胺铅碘钙钛矿薄膜的的吸收光谱进行测量，确定样品的光吸收范围为300-800nm；弱光探测器在黑暗和光照条件下的电流-电压特性为：利用吉时利4200半导体特性分析系统对器件在黑暗和光照条件下的电流-电压特性进行测量表征，器件在黑暗条件下输出的暗电流为0.05nA(工作电压在50V)，说明该器件具有极小的暗噪声水平，器件在10mW的光照条件下输出的光电流为4000nA，说明该器件具有极高的光电导；弱光探测器在极弱光(5pW)条件下的开关特性为：利用斩波器将5pW强度的极弱光引入到器件探测窗口，并结合吉时利4200对器件的电流-电压特性进行测量表征，器件对弱光激发具有明显的电响应，进一步通过计算，器件的光响应度为1A/W。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明主要由具有等离激元效应的金属纳米颗粒和钙钛矿作为光吸收材料，形成光电导结构，利用钙钛矿较大的消光系数高效吸光，并通过与金属纳米颗粒等离激元实现光耦合作用，放大器件对弱光的响应，最终通过光电导模式实现光电转换，使器件可探测5pW的弱光信号，其光响应度为1A/W，对今后基于离激元效应的钙钛矿弱光探测器研发具有极大的指导价值和意义。
附图说明
图1为本发明金属电极第一种示意图；
图2为本发明金属电极第二种示意图；
图3为本发明金属电极第三种示意图；
图4为本发明黑暗条件下电流-电压示意图；
图5为本发明光照条件下电流-电压示意图；
图6为本发明光照条件下电流-时间示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1-6，一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器，包括衬底、光电导层和金属电极，衬底由柔性或刚性的基底组成，光电导层位于衬底表面，光电导层由具有等离激元效应的金属纳米颗粒和钙钛矿组成，金属纳米颗粒具有较强的等离激元效应，钙钛矿具有较大的光吸收系数，且金属电极位于光电导层表面，并构成导电电极。
主要由具有等离激元效应的金属纳米颗粒和钙钛矿作为光吸收材料，形成光电导结构，利用钙钛矿较大的消光系数高效吸光，并通过与金属纳米颗粒等离激元实现光耦合作用，放大器件对弱光的响应，最终通过光电导模式实现光电转换，使器件可探测5pW的弱光信号，其光响应度为1A/W，对今后基于离激元效应的钙钛矿弱光探测器研发具有极大的指导价值和意义。
具有等离激元效应的金属纳米颗粒未金、银、铜或铝中的一种或多种(优选为金纳米颗粒)，且金属纳米颗粒的粒径为1-20nm(优选为5nm)，且金属纳米颗粒可位于钙钛矿层的底部、中间或表面(优选位于底部)，厚度为0.2-5nm(优选为1nm)，钙钛矿为三卤素钙钛矿，厚度为10-500nm(优选为300nm)，具有ABX3结构，其中A为Cs、MA或FA中的一种或多种，B为Pb或Sn中的一种或两种，X为Cl、Br或I中的一种多种(优选方案为甲胺铅碘钙钛矿)，金属电极为金、银、铜或铝中的一种或多种(优选为金电极)，厚度50nm。
其还包括制备方法，且制备方法包括以下步骤：首先利用真空蒸镀设备将5nm的金纳米颗粒淀积在衬底表面，并原位60℃热退火1h形成金纳米晶，随后将甲基碘化胺与碘化铅按1：1的摩尔比溶于N，N-二甲基甲酰胺中形成甲胺铅碘钙钛矿的前驱体溶液，紧接着将甲胺铅碘钙钛矿溶液滴于石英玻璃表面，利用旋涂设备1500r/min旋转1min形成薄膜，并将薄膜置于真空干燥箱中100℃退火1h形成多孔结构的钙钛矿薄膜，最后，在薄膜表面利用真空蒸镀设备制备50nm厚的金薄膜形成金属电极。
其还包括验证检测，且验证检测方法包括金纳米晶/甲胺铅碘钙钛矿光电导异质结的吸收光谱、弱光探测器在黑暗和光照条件下的电流-电压特性和弱光探测器在极弱光(5pW)条件下的开关特性，且金纳米晶/甲胺铅碘钙钛矿光电导异质结的吸收光谱为：利用稳态吸收光谱检测手段，采用安捷伦carry 5000仪器对金纳米晶、甲胺铅碘钙钛矿和金纳米晶/甲胺铅碘钙钛矿薄膜的的吸收光谱进行测量，确定样品的光吸收范围为300-800nm；弱光探测器在黑暗和光照条件下的电流-电压特性为：利用吉时利4200半导体特性分析系统对器件在黑暗和光照条件下的电流-电压特性进行测量表征，器件在黑暗条件下输出的暗电流为0.05nA(工作电压在50V)，说明该器件具有极小的暗噪声水平，器件在10mW的光照条件下输出的光电流为4000nA，说明该器件具有极高的光电导；弱光探测器在极弱光(5pW)条件下的开关特性为：利用斩波器将5pW强度的极弱光引入到器件探测窗口，并结合吉时利4200对器件的电流-电压特性进行测量表征，器件对弱光激发具有明显的电响应，进一步通过计算，器件的光响应度为1A/W。
使用时，探测器主要由具有等离激元效应的金属纳米颗粒和钙钛矿作为光吸收材料，形成光电导结构，利用钙钛矿较大的消光系数高效吸光，并通过与金属纳米颗粒等离激元实现光耦合作用，放大器件对弱光的响应，最终通过光电导模式实现光电转换，使器件可探测5pW的弱光信号，其光响应度为1A/W，对今后基于离激元效应的钙钛矿弱光探测器研发具有极大的指导价值和意义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器，包括衬底、光电导层和金属电极，其特征在于：所述衬底由柔性或刚性的基底组成，所述光电导层位于衬底表面，所述光电导层由具有等离激元效应的金属纳米颗粒和钙钛矿组成，且金属电极位于光电导层表面，并构成导电电极；
具有等离激元效应的金属纳米颗粒为金、银、铜或铝中的一种或多种，且金属纳米颗粒的粒径为1-20nm，且金属纳米颗粒位于钙钛矿层的底部、中间或表面，厚度为0.2-5nm，钙钛矿为三卤素钙钛矿，厚度为10-500nm，具有ABX3结构，其中A为Cs、MA或FA中的一种或多种，B为Pb或Sn中的一种或两种，X为 Cl、 Br或I中的一种多种，金属电极为金、银、铜或铝中的一种或多种，厚度50nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器，其特征在于：其还包括制备方法，且制备方法包括以下步骤：首先利用真空蒸镀设备将5nm的金纳米颗粒淀积在衬底表面，并原位60℃热退火1h形成金纳米晶，随后将甲基碘化胺与碘化铅按1：1的摩尔比溶于N，N-二甲基甲酰胺中形成甲胺铅碘钙钛矿的前驱体溶液，紧接着将甲胺铅碘钙钛矿溶液滴于石英玻璃表面，利用旋涂设备1500r/min旋转1min形成薄膜，并将薄膜置于真空干燥箱中100℃退火1h形成多孔结构的钙钛矿薄膜，最后，在薄膜表面利用真空蒸镀设备制备50nm厚的金薄膜形成金属电极。
3.根据权利要求1所述的一种基于等离激元效应的钙钛矿弱光探测器，其特征在于：其还包括验证检测，且验证检测方法包括金纳米晶/甲胺铅碘钙钛矿光电导异质结的吸收光谱、弱光探测器在黑暗和光照条件下的电流-电压特性和弱光探测器在5pW的极弱光条件下的开关特性，且金纳米晶/甲胺铅碘钙钛矿光电导异质结的吸收光谱为：利用稳态吸收光谱检测手段，采用安捷伦carry 5000仪器对金纳米晶、甲胺铅碘钙钛矿和金纳米晶/甲胺铅碘钙钛矿薄膜的吸收光谱进行测量，确定样品的光吸收范围为300-800nm；弱光探测器在黑暗和光照条件下的电流-电压特性为：利用吉时利4200半导体特性分析系统对器件在黑暗和光照条件下的电流-电压特性进行测量表征，器件在黑暗条件下输出的暗电流为0.05nA，工作电压为50V，说明该器件具有极小的暗噪声水平，器件在10mW的光照条件下输出的光电流为4000nA，说明该器件具有极高的光电导；弱光探测器在5pW的极弱光条件下的开关特性为：利用斩波器将5pW强度的极弱光引入到器件探测窗口，并结合吉时利4200对器件的电流-电压特性进行测量表征，器件对弱光激发具有明显的电响应，进一步通过计算，器件的光响应度为1A/W。
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