一种提高光电探测器探测性能的解决方案
2022-05-25 15:05:20 | 新闻中心          浏览量:148

      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)

含PMMA:Au夹层的叠层光电探测器

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;


光电探测器横截面SEM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。


叠层光电探测器的I-V曲线

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

四种光电探测器的相关参数

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)


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