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高性能全向自供电光电探测器的CsSnBr3/ITO异质结构薄膜设计与实现
电子科学与技术学报21(2023)100196[特邀论文]高性能CsSnBr_3/ITO异质结构全方位自供电光电探测器刘东a,刘峰静a,**,张杰a,自旭萨a,王明旭a,叶森宝b,*,万俊臣a,李鹏胜a,杨再兴a,*a山东大学物理学院,微电子学院,晶体材料国家重点实验室,济南,250100b九州大学材料化学与工程研究所,福冈,816-8580,日本A R T I C L EI N FO出版编辑:何保留字:化学气相沉积CsSnBr_3/ITO异质结构薄膜自供电光电探测器A B S T R A C T全方位光电探测器在光学跟踪系统和全方位摄像机中的重要作用引起了人们的极大关注然而,它仍然是一个高性能的全向光电探测器,入射光可以有效地吸收在多个方向和光生载流子可以有效地收集建设的挑战设计并实现了一种基于CsSnBr3/ITO异质结构薄膜的高性能全向自供电光电探测器该光电探测器具有良好的自供电光电探测性能,响应率和探测率分别达到35.1mA/W和1.82×1010Jones,并具有灵敏的上升/衰减特性响应时间为4 ms/9 ms。得益于CsSnBr3优异的光电性能薄膜以及CsSnBr3/ITO异质结构有效分离和收集光生载流子的能力,所制备的光电探测器也表现出优异的全向自供电光电探测性能。所有的结果都证明了该工作为实现高性能全向自供电光电探测器找到了一种有效的方法。1. 介绍可以将光信号转换为电信号的光电探测器是现代工业和日常生活的重要组成部分,例如无人驾驶导航,人脸识别和物联网(IoT)应用[1为了满足不同的应用场景,已经研究了各种光电探测器[5例如,可以从全向角度检测光的全向光电探测器已经广泛应用于光学跟踪系统和全向相机[11然而,有效地吸收来自多个方向的入射光并收集光生载流子的能力是全向光电探测器的主要挑战[16,17]。为了克服这些局限性,许多研究已经集中在优化器件结构Pan等人 采用了三维(3D)自立策略来增强光-物质相互作用,并获得了角分辨率为10 μ m的高性能全向光电探测器[16]。Jiang等人设计了一个全方位的* 通讯作者。** 通讯作者。* 通讯作者。电 子 邮 箱 : 715774682@qq.com ( D. Liu ) , liufj@sdu.edu.cn ( F.- J. Liu ) , 201912572@mail.sdu.edu.cn ( J. Zhang ) , saziXu@mail.sdu.edu.cn(Z.-X. Sa),mingxuwang96@163.com(M.- X.王先生),www.example.comyip.sen.po.472 @ m.kyushu-u.ac.jp(叶世平),1479220140@qq.com(J.- C. Wan),qq.com(P.-S. Li),zaiX yang@sdu.edu.cn(Z.- X. Yang)。https://doi.org/10.1016/j.jnlest.2023.100196接收日期:2023年1月10日;接收日期:2023年3月31日;接受日期:2023年4月20日2023年4月30日在线提供1674- 862 X/©2023作者。出版社:Elsevier B.V.代表科爱通信有限公司公司这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表电子科学与技术学报期刊主页:www.keaipublishing.com/en/journals/journal-of-electronic-science-and-technologyD. Liu等人电子科学与技术学报21(2023)1001962通过整合镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒(UCNP)、石墨烯和微金字塔聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)膜的独特特征,近红外光电探测器[17],其中石墨烯层用作从UCNP的光生电荷载流子转移的传导路径,并且可伸缩的微金字塔PDMS基底提供了用于全向近红外光检测的平台。然而,这些全向光电探测器的器件制造工艺和器件结构相对复杂。因此,迫切需要探索一种简单的全方位光电探测器的构建策略除了优化器件结构外,具有高光吸收系数、长载流子扩散长度和高载流子迁移率的半导体此外,具有优良光电性能的半导体材料还可用于低功耗、结构简单的自供电光电探测器。近年来,卤代钙钛矿材料由于其优异的光电性能,如高的光吸收系数(>104cm-1),长的电子-空穴扩散长度(>1μm)和可调的带隙[18这种卤化物钙钛矿薄膜可以很容易地在铟上制备通过溶液法或气相法如化学气相沉积(CVD)[22,23]形成氧化锡(ITO) 这些钙钛矿/ITO异质结构薄膜由于其适当的能带对准而广泛应用于光电探测器和光伏器件[24,25]。因此,钙钛矿/ITO异质结构薄膜可能是构建全向自供电光电探测器的替代方案。设计并实现了一种基于CsSnBr 3 /ITO异质结构薄膜的高性能全向自供电光电探测器。采用CVD法在ITO衬底上制备了晶粒尺寸可控的CsSnBr3薄膜通过构建Ni/CsSnBr 3/ITO垂直三明治结构器件,研究了不同CsSnBr 3薄膜晶粒尺寸和厚度的CsSnBr 3/ITO异质结构的自供电光电探测性能. 结果表明,CsSnBr3薄膜的晶粒尺寸和厚度对自供电光电探测性能有重要影响.通过优化晶粒尺寸和薄膜厚度,该光电探测器具有优异的自供电光电探测性能,其响应率和探测率分别为35.1 mA/W和35.1 mA/W,1.82×1010 Jones,上升/下降响应时间为4 ms/9 ms。实验结果证明了CsSnBr3/ITO异质结作为高性能全向自供电光电探测器的可行性2. 实验部分2.1. CsSnBr_3/ITO异质结构薄膜的可控生长采用CVD法制备了CsSnBr3/ITO异质结构薄膜如图S1,0.03 g SnBr 2粉末和0.03 g CsBrFig. 1. 晶粒尺寸可控的CsSnBr3/ITO异质结构薄膜的生长:CsSnBr3/ITO异质结构薄膜生长时间为(a)3 min,(b)9 min,(c)12 min时的SEM图像。 插图是所制备的CsSnBr 3/ITO膜的横截面显微照片。(d)CsSnBr 3/ITO异质结构薄膜的晶粒尺寸统计。D. Liu等人电子科学与技术学报21(2023)1001963选择粉末作为源,并分别置于三温管式炉的上游区和中心 使用40 sccm氩气(99.999%纯度)作为载气。将清洁的ITO玻璃用作生长基板。通过改变生长时间和衬底位置(距SnBr 2粉末25cm ~ 29 cm),可以调节CsSnBr3薄膜的晶粒尺寸2.2. 器件制造和光电探测测量用扫描电子显微镜(SEM,KYKY EM 6900)对CsSnBr 3 /ITO异质结构薄膜的表面形貌和横截面进行了表征。 最长对角线用于计算CsSnBr 3膜的晶粒尺寸的统计。将铜网格放置在所制备的CsSnBr3膜的顶部作为荫罩。热沉积50 nm Ni膜作为顶部电极。利用AgilentB1500 A半导体分析仪在室温下测试了CsSnBr3 采用405 nm半导体激光器作为光信号源,通过改变入射光的角度来表征全方位光电探测性能。3. 结果和讨论CsSnBr3/ITO异质结构薄膜被选为光敏半导体来构建全向自供电光电探测器,因为它是环境友好的,并且具有优异的光电性能[26,27]。然而,应该注意的是,卤化物钙钛矿薄膜的质量,特别是晶界(GB),对光电器件的性能有重大影响[28]。这意味着需要在ITO上具有可控晶粒尺寸的高质量CsSnBr3膜,并且可以通过CVD方法成功地实现 当生长时间范围从3分钟(图)。 1(a)),9min(Fig. 1(b)),至12分钟(图。1(c)),CsSnBr 3薄膜的晶粒尺寸显著增加,GB的数量减少。相应地,CsSnBr 3薄膜的厚度从0.9 μ m、1.9 μ m增加到2.8 μ m。 如图 1(d),CsSnBr3薄膜的晶粒尺寸分布由高斯曲线拟合。观察到CsSnBr3薄膜的主要晶粒尺寸分别为4.1 ~ 2.1μ m、25.8 ~ 10.7μ m和38.8 ~ 14.7μ m,对应于生长时间为3 min、9 min和12 min。为了研究CsSnBr 3/ITO异质结的光电探测性能,我们制作了三个垂直结构的Ni/ CsSnBr 3/ITO光电探测器,如图1所示。 2(a). 在此,选择Ni作为顶部电极,因为Ni电极和CsSnBr 3膜可以形成欧姆接触,如参考文献1中所示。[29]第10段。 图图2(b)示出了所制造的光电探测器在黑暗中和在405-nm激光照射下的I-V曲线。在黑暗中,生长3min的CsSnBr 3薄膜的光电探测器的电流大于生长9min和12min的CsSnBr3薄膜的光电探测器的电流。这可能归因于自掺杂图二. CsSnBr3/ITO异质结构薄膜的自供电光电探测性能:(a)CsSnBr3/ITO异质结构光电探测器示意图;(b)CsSnBr3/ITO异质结构在黑暗和405 nm激光下的I-V曲线(c)CsSnBr 3/ITO异质结的I-t曲线;(d)CsSnBr 3/ITO异质结光电探测器的I-t曲线(CsSnBr 3薄膜生长9 min)在不同强度的405nm激光照射下;(e)CsSnBr 3 /ITO异质结光电探测器在405 nm激光照射下的R和D *,(f)CsSnBr 3/ITO异质结光电探测器的D. Liu等人电子科学与技术学报21(2023)1001964-¼ ¼×在GB的缺陷造成的影响[30,31]。GB越多(换句话说,晶粒尺寸越小),掺杂效应越显著,这导致电流越大当CsSnBr3薄膜生长时间达到9 min时,其I-V曲线呈现明显的正化特征,表明CsSnBr 3 /ITO异质结的形成是成功的 在405 nm激光辐照下,器件的电流都有了很大的提高。特别地,对于具有生长9分钟的CsSnBr 3膜的光电探测器,在照明(I光)和黑暗(I暗)下的电流比(I光/ I暗)在以下偏压下高达10 2:0.4伏。值得注意的是,还观察到光伏效应,表明所制备的CsSnBr3/ITO异质结光电探测器可以用作自供电光电探测器。本文还研究了自供电光电探测器的性能 如图 2(c)中,所有的光电探测器在405 nm激光照射下,在0 V偏压下都表现出良好的光电探测性能,其中CsSnBr 3薄膜生长9 min的光电探测器表现最好,光电流为4.8 nA。 图 2(d)表明光电流随405 nm激光强度的增加而单调增加,表明所制备的CsSnBr 3/ITO异质结构光电探测器具有良好的稳定性和重复性。响应率(R)和探测率(D*)是评估光电探测器性能的两个指标[29]。R可以定义为R<$$> Iph/(PA),其中Iph<$IlightD*可以通过D*1/2R/(2eIdark)1/2计算,其中e表示电子电荷。图图2(e)显示了光电探测器在0V405 nm激光照射下的R和D*变化。发现CsSnBr3的光电探测器生长9 min的薄膜具有最高的响应率(R35.1 mA/W)和最大的探测率(D*1.82 1010 Jones)。响应时间,作为另一个关键参数的光电探测器,也进行了研究。 CsSnBr_3/ITO异质结光电探测器的时间响应曲线如图所示. 2(f). 具有CsSnBr3膜生长9分钟的光电探测器显示:图3.第三章。 介绍了CsSnBr3 /ITO异质结光电探测器的自供电光电探测性能和原理图:(a)不同晶粒尺寸CsSnBr3薄膜的CsSnBr 3/ITO异质结光电探测器的光学显微照片;(b)三种器件的自供电光电探测性能;(c)Ni/CsSnBr 3 /ITO自供电光电探测器的能带图;(d)CsSnBr 3/ITO异质结光电探测器在光照下的工 作 机 理 示 意 图 。D. Liu等人电子科学与技术学报21(2023)1001965最快的响应速度,上升时间(tr)仅为4 ms,衰减时间(td)为9 ms。在这里,上升时间被定义为归一化电流从10%增加到90%所需的时间,以及从90%下降到10%所需的衰减时间[32]。为了进一步研究GBs对自供电光电探测性能的影响,有必要控制CsSnBr 3薄膜厚度的一致性。 由于通过CVD方法制备的CsSnBr 3膜具有足够大的晶粒尺寸,这使得可以探索具有均匀CsSnBr 3膜的一个样品上的GB的影响。 如图如图3(a)所示,三个器件,即器件A(没有GB)、器件B(具有低GB密度)和器件C(具有高GB密度),用相同的CsSnBr 3膜构造。三种器件的自供电光电探测性能如图所示。3(b)款。结果表明,随着晶界密度的降低,器件的光电流增大例如,几乎没有GB的器件A表现出最大的光电流。此外,通过改变衬底的生长位置,还制备了厚度相近、晶粒尺寸不同的CsSnBr 3/ITO异质结构薄膜,比较结果如图所示。S2. 很明显,晶粒尺寸越大,光电探测器表现出越大的光电流。 结果表明,GBs对CsSnBr 3/ITO异质结光电探测器的光电探测性能有重要影响,降低GBs有利于实现高性能的光电探测器.为了指导CsSnBr3/ITO异质结光电探测器的实际应用,有必要对其工作机理进行探讨。 图 3(c)给出了基于ITO/CsSnBr 3/Ni的光电探测器的能带图[27,33]。结果表明,ITO、CsSnBr3和Ni的适当能带排列导致界面处形成内建电场,有利于光生载流子的分离CsSnBr3薄膜的带隙为1.80 eV,可以有效地吸收405 nm入射光,从而产生大量的光生载流子,显著增加405 nm激光照射下的电流(图1)。 2(b))。 这种异质结界面上的内置电场即使在0 V偏压下也可以有效地分离光生载流子,从而形成自供电光电探测器(图11)。 2(c)和(d))。众所周知,在钙钛矿薄膜的GB处存在大量缺陷,这些缺陷将充当复合中心,如图所示。 3(d)[34、35]。受寿命和扩散距离的限制,光生载流子也会在晶粒中复合而在所提出的设计中,随着CsSnBr3薄膜生长时间的增加,晶粒尺寸增大,晶界密度降低,晶界复合得到有效抑制,有助于光电探测性能的提高然而,随着钙钛矿薄膜的生长时间进一步增加,CsSnBr3薄膜的厚度也变得更厚,这加剧了晶粒内的复合结果表明,虽然生长15min的CsSnBr 3薄膜具有最大的晶粒尺寸,但其性能比生长9 min的薄膜差。 结果表明,大晶粒尺寸和薄CsSnBr 3薄膜厚度有利于获得高性能的自供电CsSnBr 3/ITO异质结光电探测器。在此基础上,采用生长9 min的CsSnBr3薄膜制备的CsSnBr3/ITO异质结光电探测器,验证了其全方位自供电光电探测性能。图图4(a)示出了所研究的用于全向检测的设备的示意图。当入射光从不同角度照射CsSnBr 3/ITO异质结光电探测器时,记录了光电流,并将其示于图1。 4(b). 很明显,这种光电探测器表现出良好的自供电光电探测性能,这主要归功于CsSnBr3薄膜优异的光电性能以及CsSnBr 3 /ITO异质结对光生载流子的有效分离和收集.此外,CsSnBr 3/ITO异质结光电探测器还具有分辨光信号入射角的能力,最小分辨角可达20 μ m,如图1所示。4(c). 当光从ITO侧垂直入射时(270 °),光电流最大,而在低角度(20 °)时,光电流最小,这主要是由有效光敏面积的差异引起的。表S1比较了申报器械与其他代表性研究的全向光电探测性能结果表明,CsSnBr3/ITO异质结构薄膜的全方位光电探测性能与采用复杂器件制备工艺制备的全方位自供电光电探测器相当4. 结论设计并实现了一种基于CsSnBr3采用CVD法在ITO衬底上制备了晶粒尺寸和厚度可控的CsSnBr3薄膜通过构建见图4。CsSnBr3/ITO异质结光电探测器的全方位自供电光电探测性能:(a)所研究的器件的全方位探测示意图;(b)来自全方位照射(405 nm)的光电探测器的I-t表征;(c)全方位光电流的统计D. Liu等人电子科学与技术学报21(2023)1001966垂直配置的Ni/CsSnBr 3/ITO光电探测器,发现大晶粒、薄厚度的CsSnBr3薄膜有利于获得高性能的自供电光电探测器,其R和D* 分别达到35.1mA/W和1.82 × 1010Jones,且响应速度快。此外,由于CsSnBr3薄膜的优异光电性能以及优化后的CsSnBr 3/ITO异质结光电探测器具有优异的全方位自供电光电探测性能,并能有效地分离和收集光生载流子。所有结果表明,该研究为构建全方位自供电光电探测器提供了一种有效的策略。基金本工作得到国家重点研究发展计划项目的资助2017YFA0305500,国家自然科学基金项目,批准号:61904096,山东省泰山学者项目,批准号:tsqn201812006,山东省自然科学基金项目编号:ZR2022JQ05和编号ZR2022QF025,山东大学青年学者多学科研究与创新团队,批准号:2020QNQT015,山东大学“杰出青年学者、齐鲁青年学者”计划。竞合利益作者声明无利益冲突附录A. 补充数据本文的补充数据可在https://doi.org/10.1016/j.jnlest.2023.100196上找到。引用[1] X.- P. Feng,Y.- H.他,W。Qu等人,喷涂钙钛矿半球形光电探测器,具有窄带和广角成像,Nat. Commun. 13(1)(2022年10月)1- 9,6106。[2] D. Jayachandran,A.Oberoi,A.Sebastian等人, 基于存储器中二硫化钼光电探测器的低功耗仿生碰撞探测器,Nat. 电子学3(10)(2020年10月)646- 655。[3] C.- J. 周氏,S.-Y. Zhang,Z.吕特等人、自驱动WSe 2光电探测器启用非对称范德华接触界面,npj 2D Mater,Appl 46(4)(12月15日)2020)1- 9.[4] Y. Zhou,X.邱,Z.- A. Wan等人,用于可穿戴可见盲紫外线监测的卤素交换钙钛矿光电探测器,Nano Energy 100(9月10日)2022),107516,1- 8.[5] Y.-- A. 徐,英-地F. 叮,Z-T. 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S。2022年毕业于山东师范大学。他目前正在寻求多发性硬化症。毕业于山东大学物理学院。他的研究兴趣集中在低维半导体器件。杨再兴1984年出生于中国安徽。他获得了博士学位。2012年毕业于中国南京大学彼于二零一二年至二零一六年于香港城市大学担任博士后研究员 现 任 山东大学物理学院正 教 授 。 他 的 研 究 兴 趣 包 括 低 维 光 电 材 料 和 器 件 。 更 多 关 于 Prof. 可 以 在 https://faculty.sdu.edu.cn/yangzaixing/zh_CN/index/685607/list/index.htm上找到Yang。
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