一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器

本发明属于光电探测器领域，具体涉及一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器。

背景技术：

1、红外光电探测器在红外隐身与反隐身、红外制导、夜视、光通讯、遥感监测等军事和民用领域有着广泛的应用。其中，钙钛矿材料(abx3,a＝cs,fa+,ma+；b＝pb；x＝cl,br,i)具有可溶液法制备、缺陷容忍度高、光吸收系数高、载流子扩散长度长、可调带隙宽度、激子结合能小等优异的光电特性而被广泛应用于光电探测器中。

2、尽管钙钛矿光电探测器具有许多优异的性能，但钙钛矿材料较宽的带隙(>1.55ev)却限制了器件在红外波段的响应。此外就探测器的具体性能而言，提高器件的光电流，同时降低暗电流是改善器件性能的关键。目前溶液法制备的钙钛矿薄膜由于结晶速度快，薄膜缺陷密度高，诱发载流子的非辐射复合，造成探测器件光电流的减小和暗电流的增加。此外钙钛矿探测器中光生载流子的低效提取和输运会影响器件的响应速度和光电流输出。因此拓宽钙钛矿的光谱响应范围，减小钙钛矿薄膜的缺陷密度，以及实现器件中光生载流子的高效输运对发展高探测率和快速响应的红外钙钛矿光电探测器具有重要的科学和实际意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器，解决了现有技术中的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器，从下至上依次包括：透明阳极、电子传输层、钙钛矿层、硫化铅量子点层和金属阴极；

4、所述透明阳极所用材料为氧化铟锡、氧化锡、氧化铝或氧化镉；所述电子传输层所用材料为氧化锌、氧化锌镁和二氧化钛；所述钙钛矿层中，钙钛矿abx3的a位阳离子元素为铯，b位阳离子元素为铅，x位卤素阴离子为溴、氯或碘；所述金属阴极所用材料为金、银或铝。

5、进一步地，所述透明阳极的厚度为50-150nm，所述电子传输层的厚度为100-300nm，所述钙钛矿层的厚度为50-200nm，所述硫化铅量子点层的厚度为80-250nm，所述金属阴极的厚度为50-120nm。

6、上述红外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

7、s1，采用离子束溅射法将氧化铟锡、氧化锡、氧化铝或氧化镉沉积在玻璃基底上，形成金属阳极；

8、s2，使用溶液旋涂法将氧化锌、氧化锌镁和二氧化钛旋涂在金属阳极表面，形成电子传输层；

9、s3，通过一步法制备钙钛矿，并旋涂在电子传输层表面，形成钙钛矿层；

10、s4，使用化学水浴法制备硫化铅量子点溶液，并旋涂在钙钛矿层表面，形成硫化铅量子点层；

11、s5，采用真空热蒸镀法在硫化铅量子点层表面制备金属阳极。

12、进一步地，所述金属阳极的制备过程为：将氧化铟锡、氧化锡、氧化铝或氧化镉加热至高于300℃，然后使用500-1000v的离子源电压使其发射出原子并沉积在玻璃基底上，形成透明薄膜。

13、进一步地，所述电子传输层的制备步骤包括：

14、s21，将氧化锌、氧化锌镁和二氧化钛均以0.5-6mg/ml的浓度，溶解于乙醇、甲苯或氯苯中，然后充分搅拌，得到三种电子传输层溶液；

15、s22，将三种电子传输层溶液依次旋涂于金属阳极表面，最后经退火形成电子传输层。

16、进一步地，所述退火温度100-150℃，时间30-60min。

17、进一步地，所述钙钛矿层的制备步骤包括：

18、s31，称取相同摩尔质量比的csx和pbx2固体粉末以及0.5-2.5wt％的镍盐和锰盐固体粉末，并溶解于n,n-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜中，形成浓度为0.3-0.8m的前驱体溶液，其中x为cl、br或i；

19、s32，将前驱体溶液搅拌至完全溶解；

20、s33，将前驱体溶液滴加至所述电子传输层表面，启动旋涂机进行旋涂；

21、s34，将旋涂后的基底置于热台上退火形成钙钛矿薄膜。

22、进一步地，s34中，以80-120℃的温度退火40-60min。

23、进一步地，制备所述硫化铅量子点层的步骤包括：

24、s41，称取摩尔质量比为1：1：4：1的十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、乙二胺四乙酸和1,2-乙二硫醇固体粉末，并加入到60-90℃的去离子水中，搅拌得到浓度为3-5mmol/ml的溶液；

25、s42，向溶液中滴加氨水将ph值调节至8-10，接着加入浓度为0.01-0.1m的乙酸铅溶液并持续搅拌，然后加入浓度为0.01-0.05m的硫脲溶液继续搅拌，室温冷却后，转速离心，用去离子水、丙酮、乙醇和异丙醇分别超声清洗，将得到的产物溶解于正辛烷中，得到硫化铅量子点溶液；

26、s43，将硫化铅量子点溶液转速旋涂与钙钛矿层表面，最后置于80-100℃的温度下退火5-10min，形成硫化铅量子点薄膜。

27、进一步地，制备金属阴极的过程为：

28、将已完成硫化铅量子点层制备的探测器样品置于＜4×10-4pa的高真空环境下，随后施加30-50a的电流将金、银或铝从固体蒸发成气体，以的速率沉积在硫化铅量子点层表面，得到金属薄膜。

29、本发明的有益效果：

30、1、针对钙钛矿(abx3)的b位，不同于以往采用单一金属离子掺杂的策略，本发明利用多元金属离子的协同掺杂策略提高缺陷形成能，降低缺陷密度，抑制载流子的非辐射复合，提高相应光电探测器的光电流输出，降低暗电流。

31、2、本发明通过对表面偶极子的调控修饰硫化铅量子点的能带结构并且提高导电能力，提高钙钛矿-硫化铅量子点界面的能级匹配度，促进光生载流子的高效输运。

技术特征：

1.一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器，其特征在于，从下至上依次包括：透明阳极、电子传输层、钙钛矿层、硫化铅量子点层和金属阴极；

2.根据权利要求1所述的一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器，其特征在于，所述透明阳极的厚度为50-150nm，所述电子传输层的厚度为100-300nm，所述钙钛矿层的厚度为50-200nm，所述硫化铅量子点层的厚度为80-250nm，所述金属阴极的厚度为50-120nm。

3.权利要求1或2所述的一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器的制备方法，其特征在于，所述金属阳极的制备过程为：将氧化铟锡、氧化锡、氧化铝或氧化镉加热至高于300℃，然后使用500-1000v的离子源电压使其发射出原子并沉积在玻璃基底上，形成透明薄膜。

5.根据权利要求3所述的一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器的制备方法，其特征在于，所述电子传输层的制备步骤包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器的制备方法，其特征在于，所述退火温度100-150℃，时间30-60min。

7.根据权利要求3所述的一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿层的制备步骤包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器的制备方法，其特征在于，s34中，以80-120℃的温度退火40-60min。

9.根据权利要求3所述的一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器的制备方法，其特征在于，制备所述硫化铅量子点层的步骤包括：

10.根据权利要求3所述的一种基于钙钛矿-硫化铅异质结的红外光电探测器的制备方法，其特征在于，制备金属阴极的过程为：

技术总结
本发明公开一种基于钙钛矿‑硫化铅异质结的红外光电探测器，属于光电探测器领域；一种基于钙钛矿‑硫化铅异质结的红外光电探测器从下至上依次包括：透明阳极、电子传输层、钙钛矿层、硫化铅量子点层和金属阴极；所述透明阳极所用材料为氧化铟锡、氧化锡、氧化铝或氧化镉；所述电子传输层所用材料为氧化锌、氧化锌镁和二氧化钛；所述钙钛矿层中，钙钛矿ABX<subgt;3</subgt;的A位阳离子元素为铯，B位阳离子元素为铅，X位卤素阴离子为溴、氯或碘；所述金属阴极所用材料为金、银或铝；通过多元金属离子协同掺杂策略和构筑钙钛矿‑硫化铅量子点异质结结构，可以从抑制载流子非辐射复合和提高光生载流子输运效率两方面共同改善器件在红外波段的响应性能。

技术研发人员：毛磊,魏宇炀,高正浩,韩杰炜,王柄淇,陆佳,潘江涌,汪丽茜
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5