基于MAPbX3钙钛矿的微型多光谱探测器及其制备方法

基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于有机无机杂化钙钛矿多光谱探测领域，涉及一种基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器及其制备方法。


背景技术：

2.光谱信号作为一种物质“指纹”信息，能够为大到几百万光年外的星系探索，小到纳米尺度的分子结构表征，提供丰富的物质结构和成分信息。目前，基于光谱识别的技术已经广泛应用于遥感、军事侦查、医学检测、环境分析、农业生产、地质勘探及食品检测等诸多领域。
3.传统的光谱识别主要是通过关键硬件分光器(光栅、滤膜等)分光和探测器感光协同实现的。不同于半导体(si、gaas、ingaas、hgcdte等)探测器的简单、紧凑、致密，分光器存在体积庞大、结构复杂等问题，这无疑阻碍了多光谱探测器件的小型化发展。目前，得益于于微机电技术的发展，基于微型色散器件、微型滤光器件以及微型傅里叶变换系统的分光器也得以制备。然而，在整体设备体积与光谱分辨率之间依旧存在难以调节的矛盾。wang等人构筑了基于傅里叶变换的小型多光谱探测器，实现了532nm处5nm的分辨率，然而并未解决分光-探测系统结构复杂的根本问题(ieee photonics technology letters,2015,27,1418.)。zhu等人采用361个钙钛矿量子点单元，作为滤光阵列，并辅以算法，实现了1.6nm的光谱分辨率，然而滤光片阵列的庞大体积阻碍进一步的微型化(light-science&applications,2020,9,73)。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器及其制备方法。
5.实现本发明目的的技术方案如下：
6.基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)将pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液滴加在干净的玻璃基片上，在溶液上层覆盖一片干净的玻璃片，室温生长24h以上，揭开覆盖的玻璃片，氮气枪轻扫，吹干未挥发的溶液，得到pbbr2微米线；
8.(2)将pbbr2微米线浸泡于溴化甲胺(mabr)的异丙醇溶液中，反应生成甲胺铅溴(mapbbr3)微米线；
9.(3)将mapbbr3微米线一端以0.4～0.6mm/s的浸入速度浸入碘化甲胺(mai)的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液，氮气吹扫除去多余的溶液；
10.(4)将步骤(3)得到的微米线的另一端以0.4～0.6mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的氯化甲胺(macl)的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液，氮气吹扫除去多余的溶液；
11.(5)在步骤(4)得到的成分梯度变化的微米线上蒸镀一系列沟道电极，制得基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器。
12.优选地，步骤(1)中，pbbr2的dmf溶液中，pbbr2的浓度为1.0～1.2m。
13.优选地，步骤(1)中，室温生长时间为24h～48h。
14.优选地，步骤(1)中，pbbr2微米线的长度为4
±
1mm，直径为30
±
10μm。
15.优选地，步骤(2)中，浸泡时间为0.5～2h。
16.优选地，步骤(3)中，mai的异丙醇溶液中，mai的浓度为16mg/ml。
17.优选地，步骤(4)中，macl的异丙醇溶液中，macl的浓度为16mg/ml。
18.优选地，步骤(3)或(4)中，浸入速度为0.5mm/s。
19.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
20.(1)本发明制备的微米线探测器本身具有光谱分辨与光电流响应的双重功能，实现了分光、感光一体化。
21.(2)本发明通过卤素交换，实现了卤素成分沿微米线径向渐次变化，使得各光谱响应单元的集成化，保证了光谱分辨率的同时，大大缩小了整体体积。
附图说明
22.图1为实施例1中pbbr2的光学显微镜图。
23.图2为实施例1中mapbbr3微米线的顶部sem图。
24.图3为实施例1中mapbbr3微米线的截面sem图。
25.图4为实施例2中mapbbr3微米线的xrd图。
26.图5为实施例2中mapbbr3微米线器件的响应速度曲线。
27.图6为实施例2中mapbbr3微米线的xrd图。
28.图7为实施例3中梯度变化微米线的edx元素分布图。
29.图8为实施例3中梯度变化微米线的pl曲线。
30.图9为实施例3中梯度变化微米线的eqe曲线。
31.图10为对比例1中mapbbr3微米线的sem图像。
32.图11为对比例2中mapbbr3微米线的sem图像。
33.图12为对比例3中mapbbr3微米线器件的i-v曲线。
具体实施方式
34.下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
35.实施例1
36.(1)将玻璃基片依次放入清洁剂、去离子水、丙酮、异丙醇各超声清洗15min进行清洗，使用氮气枪轻扫以干燥玻璃片，接着对玻璃进行20min的uv光照射；
37.(2)配制1.2m浓度的pbbr2的dmf前驱体溶液，环境氛围中60℃搅拌过夜；
38.(3)取20μl前驱体溶液，滴加在干净的玻璃基片上，在溶液上层另覆盖一片干净的玻璃片，室温生长24h后揭开覆盖的玻璃片，氮气枪轻扫，吹干未挥发的溶液，得到pbbr2微米线；
39.(4)将pbbr2微米线浸泡于16mg/ml的mabr的异丙醇溶液中2h，反应生成mapbbr3微
米线。
40.(5)将mapbbr3微米线的一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的mai的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
41.(6)将mapbbr3微米线的另一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的macl的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
42.(7)在步骤(6)得到的成分梯度变化的微米线上蒸镀一系列沟道电极，制得基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器。
43.实施例1制备的pbbr2微米线的光学显微镜图如图1所示，微米线表面光滑。mapbbr3微米线的顶部及截面sem如图2以及图3所示，表面依旧保持光滑，直径约在30μm。
44.实施例2
45.(1)将玻璃基片依次放入清洁剂、去离子水、丙酮、异丙醇各超声清洗15min进行清洗，使用氮气枪轻扫以干燥玻璃片，接着对玻璃进行20min的uv光照射；
46.(2)配制1.0m浓度的pbbr2的dmf前驱体溶液，环境氛围中60℃搅拌过夜；
47.(3)取20μl前驱体溶液，滴加在干净的玻璃基片上，在溶液上层另覆盖一片干净的玻璃片，室温生长24h后揭开覆盖的玻璃片，氮气枪轻扫，吹干未挥发的溶液，得到pbbr2微米线；
48.(4)将pbbr2微米线浸泡于16mg/ml的mabr的异丙醇溶液中30min，反应生成mapbbr3微米线。
49.(5)将mapbbr3微米线的一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的mai的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
50.(6)将mapbbr3微米线的另一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的macl的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
51.(7)在步骤(6)得到的成分梯度变化的微米线上蒸镀一系列沟道电极，制得基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器。
52.实施例2制备的mapbbr3微米线的xrd图如图4所示，浸泡时间未达到30min，微米线上残留pbbr2成分(18
°
位置的衍射峰)，在达到30min后，相成分为纯mapbbr3。基于该微米线的器件的响应速度曲线如图5所示，0.29ms与0.28ms的上升与下降时间表明载流子沿微米线径向有良好的传输性能。器件的i-v曲线如图6所示，表明器件有着良好的光电响应。
53.实施例3
54.(1)将玻璃基片依次放入清洁剂、去离子水、丙酮、异丙醇各超声清洗15min进行清洗，使用氮气枪轻扫以干燥玻璃片，接着对玻璃进行20min的uv光照射；
55.(2)配制1.0m浓度的pbbr2的dmf前驱体溶液，环境氛围中60℃搅拌过夜；
56.(3)取20μl前驱体溶液，滴加在干净的玻璃基片上，在溶液上层另覆盖一片干净的玻璃片，室温生长24h后揭开覆盖的玻璃片，氮气枪轻扫，吹干未挥发的溶液，得到pbbr2微米线；
57.(4)将pbbr2微米线浸泡于16mg/ml的mabr的异丙醇溶液中2h，反应生成mapbbr3微米线。
58.(5)将mapbbr3微米线的一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的mai的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
59.(6)将mapbbr3微米线的另一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的macl的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
60.(7)在步骤(6)得到的成分梯度变化的微米线上蒸镀一系列沟道电极，制得基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器。
61.实施例3制备的梯度变化的微米线沿径向的edx元素分析图如图7所示，表明卤素成分沿径向有明显的梯度变化。沿径向的pl曲线及eqe曲线如图8与图9所示，随着微米线上位置的不同，pl峰位以及相应地eqe波段都有着规律的变化。
62.对比例1
63.(1)将玻璃基片依次放入清洁剂、去离子水、丙酮、异丙醇各超声清洗15min进行清洗，使用氮气枪轻扫以干燥玻璃片，接着对玻璃进行20min的uv光照射；
64.(2)配制0.6m浓度的pbbr2的dmf前驱体溶液，环境氛围中60℃搅拌过夜；
65.(3)取20μl前驱体溶液，滴加在干净的玻璃基片上，在溶液上层另覆盖一片干净的玻璃片，室温生长24h后揭开覆盖的玻璃片，氮气枪轻扫，吹干未挥发的溶液，得到pbbr2微米线；
66.(4)将pbbr2微米线浸泡于16mg/ml的mabr的异丙醇溶液中2h，反应生成mapbbr3微米线。
67.(5)将mapbbr3微米线的一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的mai的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
68.(6)将mapbbr3微米线的另一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的macl的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
69.(7)在步骤(6)得到的成分梯度变化的微米线上蒸镀一系列沟道电极，制得基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器。
70.对比例1制备的mapbbr3微米线的sem图如图10所示，微米线直径减小至不足20μm，且由于前驱体浓度过低，产生的微米线容易不完整，表面伴随细小的缺陷，对于后续器件的构筑产生如光响应弱等不利影响。
71.对比例2
72.(1)将玻璃基片依次放入清洁剂、去离子水、丙酮、异丙醇各超声清洗15min进行清洗，使用氮气枪轻扫以干燥玻璃片，接着对玻璃进行20min的uv光照射；
73.(2)配制1.4m浓度的pbbr2的dmf前驱体溶液，环境氛围中60℃搅拌过夜；
74.(3)取20μl前驱体溶液，滴加在干净的玻璃基片上，在溶液上层另覆盖一片干净的玻璃片，室温生长24h后揭开覆盖的玻璃片，氮气枪轻扫，吹干未挥发的溶液，得到pbbr2微米线；
75.(4)将pbbr2微米线浸泡于16mg/ml的mabr的异丙醇溶液中2h，反应生成mapbbr3微米线。
76.(5)将mapbbr3微米线的一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的mai的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
77.(6)将mapbbr3微米线的另一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的macl的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
78.(7)在步骤(6)得到的成分梯度变化的微米线上蒸镀一系列沟道电极，制得基于
mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器。
79.对比例2制备的mapbbr3微米线的sem图像如图11所示，微米线容易产生分支，不利于器件制备。
80.对比例3
81.(1)将玻璃基片依次放入清洁剂、去离子水、丙酮、异丙醇各超声清洗15min进行清洗，使用氮气枪轻扫以干燥玻璃片，接着对玻璃进行20min的uv光照射；
82.(2)配制1.0m浓度的pbbr2的dmso前驱体溶液，环境氛围中60℃搅拌过夜；
83.(3)取20μl前驱体溶液，滴加在干净的玻璃基片上，在溶液上层另覆盖一片干净的玻璃片，室温生长24h后揭开覆盖的玻璃片，氮气枪轻扫，吹干未挥发的溶液，得到pbbr2微米线；
84.(4)将pbbr2微米线浸泡于16mg/ml的mabr的异丙醇溶液中2h，反应生成mapbbr3微米线。
85.(5)将mapbbr3微米线的一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的mai的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
86.(6)将mapbbr3微米线的另一端以0.5mm/s的浸入速度浸入16mg/ml的macl的异丙醇溶液中，直至溶液浸没微米线中间，随即以相同速度提拉出溶液。
87.(7)在步骤(6)得到的成分梯度变化的微米线上蒸镀一系列沟道电极，制得基于mapbx3钙钛矿的微型多光谱探测器。
88.对比例3制备的mapbbr3微米线的xrd图像如图12所示，对比使用dmf作为溶剂的mapbbr3微米线，峰强表现出明显的降低，表明其较弱的结晶性，对于后续器件的制备会产生光响应弱，噪声大等不利影响。