硫化鉛量子點(diǎn)基復(fù)合納米晶的增強(qiáng)型光電探測(cè)器研究.pdf

1、硫化鉛(PbS)具有較大的激子玻爾半徑(18nm)和較小的禁帶寬度(0.4eV)，通過量子限域效應(yīng)可使其禁帶寬度在0.4-2.0eV之間連續(xù)可調(diào)，能對(duì)600nm-3000nm范圍內(nèi)的光實(shí)現(xiàn)高效吸收。基于PbS量子點(diǎn)的光電導(dǎo)型光電探測(cè)器具有制備成本低、性能優(yōu)良、可與不同基底集成等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前量子點(diǎn)及其應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。目前PbS量子點(diǎn)光電探測(cè)器的相關(guān)研究主要側(cè)重于器件響應(yīng)度的提高，對(duì)復(fù)合型薄膜器件和暗電流特性的研究較少。本文以器件物理為指導(dǎo)

2、，從材料體系和器件結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行創(chuàng)新，通過引入金屬、半導(dǎo)體納米晶與PbS量子點(diǎn)構(gòu)建復(fù)合材料，利用其具有靈活可調(diào)的光電特性以形成協(xié)同效應(yīng)，在提高光電流的同時(shí)降低暗電流，最終制備出增強(qiáng)型PbS量子點(diǎn)光電探測(cè)器，并在石頭紙上制備柔性光電探測(cè)器。
　　針對(duì)傳統(tǒng)的乙二硫醇(EDT)、對(duì)苯二硫醇(BDT)鈍化PbS量子點(diǎn)時(shí)造成其光響應(yīng)速度變慢的問題，本文選用3-巰基丙酸(MPA)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)與EDT進(jìn)行對(duì)比，研究了三種基團(tuán)

3、鈍化對(duì)PbS量子點(diǎn)光電性能的影響，結(jié)果表明光電性能與缺陷深度有關(guān)，三種基團(tuán)鈍化PbS量子點(diǎn)的缺陷深度關(guān)系為CTAB　　為了在基團(tuán)純化的基礎(chǔ)上進(jìn)一'步提聞性能，本文利用Au納米晶(功函數(shù)為5eV)與 PbS量子點(diǎn)(功函數(shù)為4.8eV)形成低阻導(dǎo)電溝道以增強(qiáng)電荷耦合能力，研究了Au納

4、米晶含量對(duì)PbS量子點(diǎn)光電性能的影響，結(jié)果表明在光響應(yīng)速度變化不大的情況下，當(dāng)PbS/Au質(zhì)量比為100:2時(shí)器件性能最優(yōu)，最優(yōu)的D*為1.9x1010 Jones。
　　由于Au納米晶在提高PbS量子點(diǎn)光電性能的同時(shí)增大了暗電流，為了改善器件性能，根據(jù)pn結(jié)勢(shì)壘阻礙載流子輸運(yùn)的機(jī)理，本文采用n型硫化鎘(CdS)納米晶與p型PbS量子點(diǎn)復(fù)合。為深入探討CdS納米晶與PbS量子點(diǎn)的復(fù)合機(jī)理，研究了MPA、CTAB和EDT對(duì)CdS納米

5、晶光電導(dǎo)性能的影響，結(jié)果表明CTAB鈍化的CdS納米晶薄膜表面具有明顯的晶粒，且薄膜粗糙度較大，此微觀結(jié)構(gòu)對(duì)由氧吸附和解吸引起的光電導(dǎo)非常有利；在此基礎(chǔ)上，將CdS納米晶與PbS量子點(diǎn)復(fù)合，CdS納米晶影響了薄膜的微觀形貌，但三種基團(tuán)鈍化的復(fù)合納米晶薄膜光、暗電流均明顯增大。由CdS與PbS形成的跨騎能帶結(jié)構(gòu)可知，光、暗電流的提高歸因于復(fù)合納米晶載流子壽命的增大。
　　根據(jù)CdS納米晶能增大PbS量子點(diǎn)光電流，結(jié)合Ag能降低其暗電

6、流(雖光電流同時(shí)降低)，本文將Ag納米晶與PbS量子點(diǎn)復(fù)合，采用MPA作為基團(tuán)鈍化劑，利用Ag與硫反應(yīng)生成的Ag2S提高器件光電流，同時(shí)利用Ag降低PbS量子點(diǎn)的暗電流，成功制備出具有協(xié)同效應(yīng)的PbS量子點(diǎn)光電探測(cè)器，其最優(yōu)的D*為1.2×1010Jones。PL分析結(jié)果表明，油酸包覆的PbS量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨Ag納米晶含量的增加而不斷減小，證明Ag能有效轉(zhuǎn)移PbS量子點(diǎn)中的光生電子從而淬滅熒光；XPS分析結(jié)果表明，PbS/Ag復(fù)合納米

7、晶薄膜中存在Ag+。為了研究Ag+對(duì)PbS量子點(diǎn)光電流的影響，采用Ag2S納米晶和AgNO3處理PbS量子點(diǎn)，結(jié)果表明Ag+能有效提高PbS量子點(diǎn)的光電流。
　　由于電極的歐姆接觸特性使光電導(dǎo)體的暗電流難以大幅度降低，本文采用Au電極與n型PbS量子點(diǎn)形成雙肖特基結(jié)來進(jìn)一步降低暗電流，克服了傳統(tǒng)PbS量子點(diǎn)肖特基二極管因A1電極易與PbS反應(yīng)造成性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。對(duì)比分析雙肖特基光電二極管與光電導(dǎo)體的光電性能可知，雙肖特基型PbS

8、量子點(diǎn)光電二極管具有暗電流小、光響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在D*影響不大的情況下，光電二極管的綜合性能優(yōu)于光電導(dǎo)體，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)器件光電性能與電極間距和量子點(diǎn)粒徑大小有關(guān)，當(dāng)量子點(diǎn)粒徑為3nm、電極間距為200μm時(shí)，器件性能最優(yōu)，最優(yōu)的D*為2.8×1010Jones。
　　本文采用石頭紙為襯底，利用鉛筆制作碳電極來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬電極，分別制備了具有優(yōu)異光響應(yīng)的PbS/Au和PbS/Ag柔性光電導(dǎo)型光電探測(cè)器。研究表明，在不同的彎曲角度