利用量子限域效应，半导体胶体量子点（CQDs）因其优异的光电性能而日益受到人们的关注，被广泛应用到发光二极管（LED）、激光器、太阳能电池和光电探测器等光电器件中，大大提高了器件的光电性能。硫化铅（PbS）量子点由于其易于溶液处理、大面积器件制备、成本低、机械柔韧性强、激子玻尔半径大（~18nm）等优点，在光电器件中得到广泛的应用。通常，基于胶体量子点的光电探测器的暗电流和光电流都偏低，而且通过量子点表面处理、或相应的器件结构优化在提高光电流的同时，其暗电流也会有相应地提高；或者，在抑制器件暗电流的同时，其光电流也被相应地抑制住，导致器件的探测性能提高程度有限。近日，北京理工大学杨盛谊课题组在原来用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜作为叠层器件的夹层（interlayer）来抑制暗电流进而提高光电探测器性能（Nanotechnology 2019, 30(46): 465203）的基础上，提出将Au纳米颗粒掺入PMMA中作为夹层既可以抑制暗电流也可以提高光电流，从而为进一步提高叠层光电探测器的探测性能提供了解决方案（ACS Applied Materials & Interfaces）。

图1 (a)含PMMA:Au夹层的叠层光电探测器能带图及其载流子传输示意图；

(b) 含PMMA:Au夹层的叠层光电探测器横截面SEM图

如图1（a）所示，PbS和CsSnBr3导带之间的势垒高度为0.97 eV，而PbS和CsSnBr3价带之间的势垒高度仅为0.2eV，这将有助于光生载流子从PbS:CsSnBr3薄膜流出，并最终到达阴极或阳极。在左侧的PbS:CsSnBr3薄膜探测器单元中，光生电子将会被ZnO提取并在ZnO/PMMA:Au界面处积累。同时，另一侧的光生空穴将会被CuSeN提取并在CuSeN/PMMA:Au界面处积累。由于PMMA为绝缘体，此时PMMA:Au夹层将起到“超级”电容器的作用，其两侧的载流子无法隧穿至另一侧，所以，通过器件的暗电流会受到很大程度的抑制。

暗电流被抑制了，而光电流却没有被抑制，这又是因为什么呢？在光照条件下，上述叠层光电探测器将会有越来越多的载流子聚集在PMMA:Au两侧，贯穿PMMA:Au薄膜两侧的电场强度也会越来越大。与此同时，该电场强度达到一定值之后，PMMA层中的Au纳米颗粒会俘获一定数量的电子，而被俘获的电子又会在PMMA中形成一个局部电场。在一定的偏压下，就会因为隧穿薄膜而出现很高的光电流。因此，通过在叠层光电探测器中使用PMMA:Au夹层，能使光电探测器的暗电流在被抑制的同时，也确保了器件具备高的光电流值。为了获得PMMA:Au夹层的最佳实验效果，他们首先制备了二极管器件ITO/PMMA:Au/Ag（其中Au纳米颗粒的粒径为10 nm），通过优选Au纳米颗粒的掺杂比例（0.5%、1.0%、2.0%、5.0%和10%），发现0.5%的掺杂为叠层光电探测器的最佳掺杂比例。此外，他们还对器件ITO/PMMA:Au/Ag中的有源层厚度进行了优化，最终选择35 nm厚的PMMA:Au夹层应用在叠层光电探测器之中。

图2(a) Au纳米颗粒掺杂比例不同的PMMA:Au薄膜所制备的叠层光电探测器的I-V曲线；

(b) 厚度不同的PMMA:Au薄膜所制备的叠层光电探测器的I-V曲线

为了弄清楚Au纳米颗粒的具体作用，他们分别制备出了以下四种类型的器件：

(1) Device A: ITO/PEDOT:PSS/PbS:CsSnBr3/ZnO/PMMA/CuSeN/PbS:CsSnBr3/ZnO/Ag（PMMA薄膜不含Au纳米颗粒）；

(2) Device B: ITO/PEDOT:PSS/PbS:CsSnBr3/ZnO/PMMA:Au/CuSeN/PbS:CsSnBr3/ZnO/Ag（含PMMA:Au中间层）；

(3) Device C: ITO/PEDOT:PSS/PbSCsSnBr3/ZnO/CuSeN/PbS:CsSnBr3/ZnO/Ag（不含PMMA:Au中间层）；

(4) Device D: ITO/PEDOT:PSS/PbS:CsSnBr3/ZnO/Ag（单节光探测器）。

研究发现，由于PMMA:Au夹层的插入，叠层光电探测器的暗电流得到了很大程度的抑制，而其光电流也得到了很大程度的提高。当叠层光电探测器两端施加一定的偏压时，光生电子被右侧的ZnO提取后会直接流向Ag电极；而光生空穴则在被PEDOT:PSS提取后则直接流向ITO电极。

图3 在300 μW/cm²的532 nm激光照射下，三种不同结构的光电探测器的I-V曲线

表1当偏压为-1V时，在光照强度分别为300 μW/cm²和270 μW/cm²的532 nm和850 nm激光照射下的四种光电探测器的相关参数

图4 在不同光照强度下，器件（A、B及C）的光电流(a)、光响应(b)、“明/暗”电流比(c)和归一化探测率(d)

由图4可知，光电探测器的光电流和“明/暗”电流比都会随光照强度的增加而提高。同时，光电探测器的光响应度和归一化探测率（D*）却随光照强度的增加而降低。而器件B（即含PMMA:Au夹层）则是上述器件中性能最好的。在-1V偏压下以及300 μW/cm²的532 nm激光照射下，其归一化探测率高达2.410¹⁵Jones，而该结构的单节光电探测器在相同条件下的归一化探测率却只有1.8210¹² Jones。可见，PMMA:Au夹层起到了电子“存储节点”的作用，因而能极大地提高了光电探测器的性能。

该研究的最大意义在于，通过简单的制备即可得到具有电子“存储节点”作用的夹层材料（如PMMA:Au），它能极大地抑制暗电流并提高光电流，因而能提高光电探测器的探测性能。这为制备高性能光电探测器提供了重要思路。

参考文献：[1] Muhammad Sulaman, Yong Song*, Shengyi Yang*, QunHao, Yuejin Zhao, Maoyuan Li, Muhammad Imran Saleem, Perumal VeeramalaiChandraseakar, Yurong Jiang, Yi Tangand BingsuoZou, High-performancesolution-processed colloidal quantum dots-based tandem broadband photodetectorswith dielectric interlayer, Nanotechnology 30 (2019) 465203(9pp)

[2] MuhammadSulaman, Yong Song*, Shengyi Yang*, Muhammad ImranSaleem, Maoyuan Li, Chandrasekar Perumal Veeramalai, Ruonan Zhi, Yurong Jiang,Yanyan Cui, Qun Hao, Bingsuo Zou, Interlayer of PMMAdoped with Au nanoparticles for high-performance tandem photodetectors: asolution to suppress dark current and maintain high photocurrent. (to bepublished in ACS Applied Materials and Interfaces)

本文来源：《材料科学前沿》 ，版权归作者所有！如有异议，请联系我们处理！