Met oplossing verwerkte drielaagse structuur voor hoogwaardige perovskiet-fotodetector

Abstract

Vanwege hun uitstekende prestaties, lage kosten, fabricagegemak, diverse fotonische en opto-elektronische toepassingen, hebben metaalhalogeniden perovskiet grote belangstelling gewekt voor fotodetectortoepassingen. Op dit moment hadden apparaten gemaakt van metaaloxiden, metaalsulfiden en 2D-materialen een goede responsiviteit bereikt, maar hadden ze last van een hoge donkerstroom, een lage responssnelheid, een kleine aan-uitverhouding en een slechte stabiliteit. De gehele prestatie van deze fotodetectoren is niet bevredigend. Hier een laterale perovskiet (CH₃ NH₃ PbBr₃ )/Ethanolamine/TiO₂ (in ethanol) drielaagse fotodetector is ontworpen voor het bereiken van hoge prestaties. EA-behandeling verbetert de elektronenextractie en vermindert ongewenste recombinatie. Dit apparaat met drie lagen vertoont goede prestaties met een lage donkerstroom van 1,5 × 10⁻¹¹ A, hoge aan-uitverhouding van 2700, hoge fotodetectie van 1,51 × 10¹² Jones, hoge responsiviteit van 0,13 A W⁻¹ , en hoge stabiliteit, in vergelijking met conventionele enkellaagse apparaten. Dit werk biedt de mogelijkheid om de prestaties van metaalhalogenide-perovskiet-fotodetectoren te verbeteren.

Inleiding

Fotodetectoren hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder optische communicatie, biomedische detectie en monitoring van milieuvervuiling [1,2,3]. In de afgelopen jaren hebben organisch-anorganische loodhalogenide-perovskietmaterialen buitensporige aandacht getrokken vanwege hun uitzonderlijke eigenschappen zoals hoge optische absorptie, lange levensduur van de ladingsdrager en lange diffusielengte [4,5,6,7,8,9] . Deze kenmerken suggereerden dat de organisch-anorganische perovskiet uitstekende materialen zijn voor fotodetectortoepassingen [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. Tot nu toe werd de verticale structuur veel gebruikt voor fotodetectoren [22,23,24,25,26,27]. Onlangs hebben Zhang et al. gefabriceerde perovskiet-fotodetector door gebruik te maken van een verticale structuur [27]. Dit apparaat vertoonde goede lichtcapaciteit en prestaties, maar had last van hoge donkerstroom (1,5 nA). Interessant is dat laterale structuren van fotodetectoren enorm veel aandacht hebben gekregen vanwege de lage geleidingsverliezen en het eenvoudige en goedkope fabricageproces. Materialen zoals overgangsmetaaldichalcogeniden [28, 29], metaaloxiden [30, 31] en organische materialen [32, 33] zijn gebruikt voor fotodetectortoepassingen, waaronder perovskietmaterialen die veel aandacht kregen. Er werden enkellaags perovskiet-apparaten gefabriceerd, maar vertoonden een lage aan/uit-verhouding, hoge donkerstroom en slechte elektrische instabiliteiten [34, 35]. Bijvoorbeeld Ding et al. heeft een enkellaags apparaat gefabriceerd met een hoge donkerstroom, lage detectiviteit en een lage aan-uitverhouding [35]. Een organische perovskiet fotodetector die is ontworpen door Wang et al. goede prestaties hebben behaald, maar een grote donkerstroom hebben (variërend van 10⁻⁷ tot 10⁻⁸ EEN) [36]. Chen et al. gefabriceerde dubbellaagse perovskiet-fotodetector door de introductie van een organische polymeerlaag en een gemodificeerde heterojunctie-interface om de prestaties van het apparaat te verbeteren, maar het apparaat vertoont nog steeds een grote donkerstroom en een lage detectiviteit [37]. Echter, lage detectiviteit (D *) en een hoge donkerstroom wordt waargenomen vanwege de slechte heterojunctie-interfacebarrière-mismatch die de recombinatie van de draaggolf verbetert. Een geschikte materiaalkeuze voor de grenslaag is dus belangrijk voor de prestaties van het apparaat [33, 38]. Eenkristal CH₃ NH₃ PbBr₃ Er zijn ook fotodetectoren gemaakt [39,40,41], maar hun resultaten zijn niet bevredigend vanwege de kleine aan-uit-verhouding en de hoge donkerstroom (≈10⁻¹⁰ A).

Er zijn veel benaderingen toegepast om de prestaties van het apparaat te verbeteren door het transport van de dragers in evenwicht te brengen en de junctieweerstand te minimaliseren door de energieniveaus tussen de materiaallagen op elkaar af te stemmen. Zo werden bijvoorbeeld metaalfluoriden [42], geconjugeerd polyelektrolyt [43] en polaire oplosmiddelen [44] gebruikt om de mismatch van de energiebarrière tussen metaaloxiden te verminderen (ZnO, MoO₃ , ZrO₂ ) en actieve lagen om de prestaties van het opto-elektronische apparaat te verbeteren.

In dit artikel hebben we een laterale drielaagse perovskiet-fotodetector gefabriceerd door een grensvlakdipoollaag van ethanolamine in te voegen, die zorgt voor de hoge elektronenextractie met onderdrukking van ongewenste dragerrecombinatie, en als resultaat vertoont het apparaat verbeterde prestaties. In deze ontworpen structuur licht met een intensiteit van 0,5 mW cm⁻² absorbeert in CH₃ NH₃ PbBr₃ film en beweging van de drager worden vastgehouden in de alcoholische TiO₂ film. Een gat in de energiebarrière tussen de alcoholische TiO₂ en CH₃ NH₃ PbBr₃ film wordt verkleind door het inbrengen van een ethanolaminelaag. De ontworpen drielaagse fotodetector vertoont uitstekende prestaties met een lage donkerstroom van 1,5 × 10⁻¹¹ A, fotodetectie van 1,51 × 10¹² Jones, aan-uit-verhouding van 2700, stijgtijd van 0,49 s, vervaltijd van 1,17 s, lineair dynamisch bereik (LDR) van 68,6 dB, met hoge omgevingsstabiliteit.

Resultaten en discussie

Enkelvoudige en drielagige fotodetectoren werden vervaardigd op glassubstraat zoals respectievelijk getoond in Fig. 1a, b. Allereerst de TiO₂ (gemengd in ethanol) werd vervaardigd op een glassubstraat en vervolgens werd ethanolaminefilm afgezet op de TiO₂ Daarna werden 60 nm dikke Al-elektroden afgezet door thermische verdamping op ethanolaminefilm met behulp van schaduwmasker, wat resulteerde in een kanaalbreedte van 2000 m en een kanaallengte van 30 m. Dan MAPbBr₃ film werd afgezet op de ethanolamine (EA) film (details staan in de sectie "Methoden/Experimenteel"). Afbeelding 1c toont de afbeelding van een drielagige fotodetector.

een Het apparaat met één laag. b Het drielagige apparaat. c Optisch beeld van apparaat met drie lagen

Afbeelding 2a toont het XRD-patroon (röntgendiffractie) van de MAPbBr₃ film en de MAPbBr₃ /EA/TiO₂ drielagige film. Vier pieken van MAPbBr₃ en MAPbBr₃ /EA/TiO₂ drielagige film bij 15,16°, 30,32°, 46,04° en 62,76° worden duidelijk waargenomen. Er zijn geen karakteristieke pieken van PbBr₂ , alcoholische TiO₂ , en EA waargenomen in MAPbBr₃ /EA/TiO₂ drielagige film. Het toont een hoge zuiverheid van de perovskiet. De figuur 2b geeft de absorptie weer van enkel- en drielaagse films. TiO₂ en EA-films vertonen geen absorptie. Alle absorptie wordt gedaan in perovskietfilm, zowel voor een enkel- als drielaags apparaat. Er wordt geen opvallend absorptieverschil waargenomen tussen de MAPbBr₃ film en MAPbBr₃ /EA/TiO₂ drielagige film. Een bandafstand van 2,3 eV wordt ook waargenomen door absorptiespectra. Absorptie op verschillende (PbBr₂ ) verhoudingen wordt weergegeven in figuur 2c.

een Röntgendiffractiepatronen van de MAPbBr₃ film en de MAPbBr₃ /EA/TiO₂ drielagige film. b MAPbBr₃ film en MAPbBr₃ /EA/TiO₂ drielaagse filmabsorptiespectra. c Absorptiespectra bij verschillende verhoudingen van PbBr₂

De oppervlaktemorfologie van de MAPbBr₃ film werd bestudeerd met een scanning elektronenmicroscoop (SEM). Een groot aantal gaatjes en scheuren werd waargenomen op de perovskietfilm wanneer deze bij hogere temperatuur werd uitgegloeid, zoals weergegeven in figuur 3a. Omdat de gaatjes of scheuren fungeren als niet-stralingsrecombinatiecentra, wat resulteert in nadelige prestaties van het apparaat [45]. Aan de andere kant werd een dichte en scheurvrije morfologie verkregen met grote korrelgrootte wanneer de perovskietfilm gedurende 10 minuten bij 75 ° C werd uitgegloeid (figuur 3b). De geoptimaliseerde gloeitemperatuur hielp dus bij het verkrijgen van zeer kristallijne films zonder gaatjes en scheuren, wat de scheidings- en transportprocessen van foto-geëxciteerde dragers kan bevorderen [45, 46].

SEM-afbeelding van gefabriceerde MAPbBr₃ film behandeld a bij 100 °C en b bij 75 °C

Afbeelding 4a–c toont de bandenergiediagrammen van de alcoholische TiO₂ , ethanolamine en de MAPbBr₃ (bepaald door meting van ultraviolet foto-elektron spectroscopie (UPS). De bereikte Fermi-waarden voor alcoholische TiO₂ , ethanolamine en de perovskiet zijn respectievelijk 3,84, 4,35 en 5 eV. De berekende geleidingsbandmaxima (CBM) voor alcoholische TiO₂ , ethanolamine en de perovskiet zijn respectievelijk 3,81, 3,62 en 3,4 eV. Band energiediagram van MAPbBr₃ /EA/TiO₂ laat zien dat door foto's gegenereerde excitonen worden gevormd in de perovskietfilm, zoals weergegeven in figuur 4d. Daarom kunnen elektronen en gaten worden gescheiden via de MAPbBr₃ /EA-interface. Elektronen stromen naar EA en vallen dan in de TiO₂ film en fotogaten zouden in de MAPbBr₃ . blijven film.

De UPS (ultraviolette foto-elektronenspectra) van a TiO₂ film. b Ethanolaminefilm. c MAPbBr₃ film. d Energie band diagram. Ik –V kenmerken van fotodetectoren in optimale verhouding (1:1):e onder donker, f onder het licht met een intensiteit van 0,50 mW cm⁻² . g Ik –V kenmerken van drielaagse fotodetector bij verschillende verhoudingen van perovskiet

Afbeelding 4e, f geeft de I . weer -V curven van de alcoholische TiO₂ apparaat, MAPbBr₃ apparaat, en de MAPbBr₃ /EA/TiO₂ apparaat met drie lagen (onder donkere en onder lichte verlichting met een intensiteit van 0,5 mW cm⁻² ). Een hoge donkerstroom met een waarde van 1,24 × 10⁻⁸ A wordt berekend voor alcoholische TiO₂ apparaat, terwijl de waarde van fotostroom bijna gelijk is aan de waarde van donkere stroom. Deze hoge donkerstroom en lage fotostroom van het apparaat wordt waargenomen bij een voorspanning van 5 V. Het enkellaagse apparaat vervaardigd door MAPbBr₃ geeft aan dat de waarde van donkerstroom 1,41 × 10⁻¹⁰ . is A en de waarde van fotostroom is 9,95 × 10⁻⁹ A, die betere prestaties laat zien dan alcoholische TiO₂ gebaseerd apparaat. Ter vergelijking:de MAPbBr₃ /EA/TiO₂ apparaat met drie lagen toont een lagere donkerstroom van 1,51 × 10⁻¹¹ A en verbeterde fotostroom van 4,09 × 10⁻⁸ A. Het uitputtingsgebied gecreëerd rond de MAPbBr₃ /EA-interface is de reden van de kleine hoeveelheid donkerstroom in de MAPbBr₃ /EA/TiO₂ drielaags apparaat, waardoor geleidende gebieden werden samengetrokken en donkerstroom wordt onderdrukt. Een grote recombinatie treedt op in enkellaagse fotodetectoren, omdat gaten en elektronen in dezelfde laag werden getransporteerd. Dat is de reden dat de fotostroom van een drielagige fotodetector hoger is dan die van andere enkellagige fotodetectoren. Voor de drielaagse fotodetector worden foto-gegenereerde elektronen en gaten gescheiden door heterojunctie. Elektronen gaan van MAPbBr₃ film naar de EA-film en vervolgens naar alcoholische TiO₂ filmen via de interface. Hierdoor zullen elektronen worden gescheiden van de gaten, waardoor de recombinatie van de draaggolf drastisch vermindert, en dit leidt tot een grotere fotostroom. We hebben verschillende perovskiet-verhoudingen toegepast om de prestaties van het apparaat te verbeteren, zoals weergegeven in figuur 4g. De optimale perovskietverhouding voor een drielaagse fotodetector is 1:1.

Responsiviteit (R ) en detectiviteit (D ^* ) zijn belangrijke factoren voor fotodetectoren. Waar responsiviteit wordt gedefinieerd als:

$$ R=\frac{I_p-{I}_d}{P_{in}} $$ (1)

Waar ik _p staat voor stroom onder wit licht en I _d vertegenwoordigt stroom in het donker. P _in vertegenwoordigt het effectieve invallende lichtvermogen op het effectieve gebied (elektrodekanaalgebied) [15]. Responsiviteit (R ) kan worden verbeterd door de lengte van het elektrodekanaal, verlichtingsvermogen P _in , en door de voorspanning [30] te verhogen. Volgens vgl. (1), responsiviteit voor drielaags fotodetectorapparaat is 0,13 A W⁻¹ met een intensiteit van opvallend wit licht van 0,5 mW cm⁻² , terwijl 0,03 A W⁻¹ responsiviteit wordt berekend voor een enkellaags fotodetectorapparaat. Een verhoogde fotostroom en onderdrukte donkerstroom is de reden voor de verbeterde responsiviteit van het drielagige fotodetectorapparaat. Afbeelding 5a toont de responsiviteit van de apparaten met één en drie lagen.

een Responsiviteit en (b ) detectiviteit van enkelvoudige en drielaagse apparaten bij verschillende toegepaste spanning bij een lichtintensiteit van 0,5 mW cm⁻² . c Spectrale responsiviteit, d spectrale detectiviteit, en (e ) EQE-spectra van twee fotodetectoren onder lichtverlichting van 10,6 μW cm⁻² en een bias van 5 V

Detectiviteit wordt als volgt gedefinieerd:

$$ {D}^{\ast }=R\sqrt{\frac{S}{2q{I}_d}} $$ (2)

Waar R is de responsiviteit van het fotodetectorapparaat, S is het effectieve kanaalgebied onder verlichting, en q staat voor de elektronische lading (1,6 × 10⁻¹⁹ C) [16]. Detectiviteit is een belangrijke parameter om de lichtgevoeligheid van een fotodetector aan te duiden. Grotere detectiviteit betekent grotere gevoeligheid bij het detecteren van lichtsignalen. Afbeelding 5b toont de detectiviteit van de apparaten met één en drie lagen.

Volgens vgl. (2), detectiviteit berekend voor drielaags apparaat is 1,51 × 10¹² Jones (lichtintensiteit is 0,5 mW cm⁻² en bias van 5 V), terwijl de waarde 1,19 × 10¹¹ Jones wordt berekend voor de enkellaagse MAPbBr₃ apparaat. Een apparaat met drie lagen vertoont een hoge detectiviteit in vergelijking met een apparaat met een enkele laag. De zeer hoge D * van het drielaagse apparaat is te wijten aan de zeer lage donkerstroom.

Figuur 5c, d toont de spectrale responsiviteit en detectiviteit van de enkel- en drielaagse fotodetector bij 5 V en onder lichtverlichting van 10,6 μW cm⁻² . Drielaagse apparaten vertonen een hoge responsiviteit van 0,33 A W⁻¹ en hoge detectiviteit van 4,46 × 10¹² Jones op de golflengte van 520 nm. Terwijl voor het apparaat met één laag de responsiviteit 0,14 A W⁻¹ . is en detectiviteit is 1,9 × 10¹² Jones. Dit toont aan dat de drielaagse fotodetector een zeer zwak lichtsignaal kan detecteren. Externe kwantumefficiëntie (EQE) spectra van beide apparaten worden gemeten zoals weergegeven in figuur 5e. EQE voor een enkellaags apparaat is gemeten tot 30% en voor drielaags apparaat tot 80% bij een bias van 5 V. Absorptiecurve (Fig. 2b) versterkt ook de resultaten van EQE-spectra.

Signaal-ruisverhouding (SNR) en lineair dynamisch bereik (LDR) zijn twee belangrijkere parameters om een fotodetector te karakteriseren, beschreven als:

$$ \mathrm{SNR}=\frac{I_p-{I}_d}{I_d} $$ (3) $$ \mathrm{LDR}=20\mathit{\log}\frac{J_{\mathrm{light }}}{J_{\mathrm{donker}}} $$ (4)

Waar J _licht en J _donker zijn respectievelijk fotostroom en donkere stroomdichtheid [24]. De SNR kan details geven over het niveau van een gewenst signaal (fotostroom) tot de achtergrondruis (donkere stroom); achtergrondruis is minder prominent wanneer de waarde van SNR hoog is. Bereik van invallend lichtvermogen kan worden gemeten met LDR. Het wordt over het algemeen weergegeven in decibel (dB). LDR en SNR van de twee fotodetectoren worden gemeten onder een aangelegde spanning van 5 V. SNR van het enkellagige apparaat is 69. De drielagige fotodetector geeft een veel grotere SNR van 2700 weer. De berekende LDR van drielagige fotodetector is 68,6 dB, terwijl voor enkellaagse fotodetector, LDR is 36,9 dB. De verbeterde responsiviteit, detectiviteit, LDR en SNR tonen duidelijk het voordeel van de drielaagse fotodetector ten opzichte van de enkellaagse fotodetector.

In Fig. 6 werden de aan/uit-schakelkarakteristieken van twee fotodetectoren gemeten bij een lichtintensiteit van 0,5 mW cm⁻² en toegepaste bias van 5 V. Beide fotodetectoren vertonen uitstekende aan-uit schakelherhalingen, getoond in Fig. 6a, c. Een aan-uit-cyclus van beide apparaten wordt getoond in Fig. 6b, d. Voor een enkellaags apparaat stijgt de stroom en bereikt deze zijn maximale waarde, en neemt vervolgens langzaam af onder verlichting totdat het licht uit is. Dit fenomeen doet zich voor in enkellaagse fotodetectoren omdat de door foto gegenereerde ladingsdragers recombineren op emissielocaties op diep niveau, waardoor de fotostroom met het verstrijken van de tijd afneemt. Terwijl voor drielaagse perovskiet-fotodetector de stroom zeer snel stijgt en zijn maximale waarde bereikt, blijft dan stabiel onder verlichting totdat het licht uit is. Dit fenomeen doet zich voor omdat de emissielocaties op diep niveau niet zoveel foto-gegenereerde ladingsdragers beïnvloeden [38]. De berekende aan-uit-verhouding was 70 voor een enkellaags fotodetectorapparaat en de gemeten stijg-/vervaltijd is 0,72/1,72 s. Terwijl voor een drielaags apparaat de aan-uit-verhouding 2700 is en de stijg-/vervaltijd 0,49/1,17 s. De stijg- / vervaltijd voor een drielaags fotodetectorapparaat is kleiner in vergelijking met een enkellaags fotodetectorapparaat vanwege de snellere generatie van elektronen en gaten en het recombinatiefenomeen. De tijd die nodig is voor de fotostroom waarin deze 90% van zijn maximale waarde bereikt, wordt stijgtijd genoemd, en de tijd die nodig is voor de fotostroom waarin deze tot 10% van zijn maximale waarde daalt, wordt vervaltijd genoemd [17]. In conventionele halfgeleiders is de waarde van de stijgtijd en de vervaltijd groot en wordt deze veroorzaakt door langlevende vallen. Scheiding en recombinatie van de ladingsdragers rond de kruising is de reden voor een hoge aan-uit-verhouding, verbeterde responsiviteit, hoge detectiviteit en hoge LDR [3, 30]. Dit is de reden waardoor een kortere stijgtijd en vervaltijd van een drielaags fotodetectorapparaat wordt bereikt.

Aan/uit-schakelkarakteristieken van a , b enkellaags (MAPbBr₃ ) fotodetector. c , d Drielaagse fotodetector (bij een lichtintensiteit van 0,5 mW cm⁻² en toegepaste bias van 5 V)

Ten slotte werden de monsters in een omgevingsomgeving met een relatieve vochtigheid van 30-40% geplaatst om de omgevingsstabiliteit van de drielaagse fotodetector te onderzoeken. Absorptie en XRD werden gemeten op stabiliteit zoals respectievelijk getoond in Fig. 7a, b. Na 30 dagen werden geen specifieke veranderingen waargenomen in de absorptiespectra. XRD-patroon was na 30 dagen bijna hetzelfde. Extra karakteristieke pieken vanwege de omgeving werden niet waargenomen. Het toont de hoge stabiliteit van onze perovskietfilm. De donkere en fotostroom (bij een intensiteit van wit licht van 0,5 mW cm⁻² ) blijven na 30 dagen bijna hetzelfde, zoals weergegeven in figuur 7c. Drielaags fotodetectorapparaat vertoont een bijna stabiele fotostroom, wat aangeeft dat ons apparaat stabiel is en minder wordt beïnvloed door de omgeving.

een Zichtbare absorptiespectra. b XRD-spectra. c Ik –V krommen van de drielaagse fotodetector zoals gemaakt en na 30 dagen in een omgeving (onder de witte lichtintensiteit van 0,5 mW cm⁻² )

Algemene prestaties met D * van 1,51 × 10¹² Jones, aan-uit-verhouding van 2700, stijg- en vervaltijd van 0,49/1,17 s, LDR van 68,6 dB en EQE tot 80% wordt bereikt door het drielagige apparaat, dat hoge prestaties van het drielagige fotodetectorapparaat laat zien. Vanwege de uitstekende interface tussen perovskiet, EA en alcoholische TiO₂ , worden de uitstekende prestaties van de detector verkregen. Tabel 1 toont de resultaten van de huidige metaalhalogenide-perovskiet-fotodetectoren.

Perovskiet fotodetector gebaseerd op SnO₂ werd ook gefabriceerd en vanwege de zeer lage aan-uit-verhouding en de hoge donkerstroom waren de prestaties van de fotodetector niet bevredigend, zoals weergegeven in figuur 8a. Dit alles gebeurde als gevolg van niet-overeenkomende energieniveaus [47]. We gebruikten ook fenyl-C61-boterzuurmethylester (PCBM) en PCBM:PMMA-mengsel als een elektronentransportlaag voor een gefabriceerde perovskiet-fotodetector, maar de prestaties van deze apparaten waren veel slechter dan die van SnO₂ -gebaseerde apparaten zoals weergegeven in respectievelijk Fig. 8b, c. Het kiezen van een geschikte elektronentransportlaag (ETL) is erg belangrijk voor het bereiken van goede prestaties van een fotodetector, zoals duidelijk blijkt uit de experimenten. Er werden ook drielaagse fotodetectorapparaten met Ag-elektroden vervaardigd, maar de prestaties van deze apparaten waren niet bevredigend vanwege de hoge donkerstroom en de lage fotostroom, zoals weergegeven in figuur 8d.

Ik –V bochten. een De perovskiet/EA/SnO₂ apparaat. b Het perovskiet/EA/PCBM-apparaat. c Het perovskiet/EA/PCBM:PMMA-apparaat. d De perovskiet/EA/TiO₂ apparaat met Ag-elektroden

Methoden/experimenteel

Materiaalvoorbereiding

PbBr₂ en CH₃ NH₃ Br werden gekocht van Xi'an Polymer Light Technology Corporation. DMF, DMSO, ethanolamine en 2-methoxyethanol werden gekocht bij Alfa Aesar en TiO₂ 10% oplosbaar in ethanol (30 nm deeltjesgrootte) werd gekocht bij InnoChem. Alle materialen werden gebruikt zonder extra zuivering. Objectglaasjes die als ondergrond werden gebruikt, werden vervaardigd door SAIL BRAND.

TiO₂ in Alcohol

De TiO₂ werd gemengd in ethanol (verhouding 1:16 op basis van volume) met verschillende concentraties. Een 50 μL TiO₂ wordt opgelost in 800 μL ethanol en 1 uur bij kamertemperatuur geroerd. Vanwege het carriers blocking-fenomeen van compacte TiO₂ , kan het niet worden gebruikt als een goede elektronentransportlaag [48]. Zodat, TiO₂ gemengd in alcohol werd gebruikt als ETL.

Ethanolamine

EA en 2-methoxyethanol mengsel werden gesynthetiseerd met behulp van eerder gerapporteerde methode [49]. De ethanolamine 3 gew.%-verhoudingen werden gemengd in 2-methoxyethanol om het oplossingsmengsel te bereiden.

Perovskiet

Een 1 M-oplossing van CH₃ NH₃ PbBr₃ werd bereid door de CH₃ . te laten reageren NH₃ Br en PbBr₂ bij een 1:1 (op gewichtsbasis) in een mengsel van dimethylsulfoxide (DMSO) en N ,N -dimethylformamide (DMF) met 1:4 (volume), daarna werd er een nacht geroerd bij een temperatuur van 70 °C.

Apparaatfabricage

Glassubstraten werden elk 20 minuten gewassen met wasmiddel, gedeïoniseerd water, isopropylalcohol en acetonoplosmiddelen en vervolgens gedroogd met N₂ lucht, en werden uiteindelijk schoongemaakt door O₂ plasma gedurende 15 min om de achtergebleven deeltjes op de substraten te verwijderen. Ten eerste werden glassubstraten gespincoat met alcoholische TiO₂ bij een snelheid van 4000 tpm gedurende 30 s onder omgevingsomgeving, en vervolgens gedurende 30 minuten bij 150 ° C uitgegloeid. Daarna werd EA in 2-methoxyethanol afgezet op de TiO₂ film met een snelheid van 3000 tpm gedurende 40 s onder een omgevingsomgeving en vervolgens gedurende 10 minuten bij 130 ° C gegloeid. Vervolgens werden Al (aluminium) elektroden met een dikte van 60 nm door thermische verdamping op EA-film afgezet. De kanaalbreedte van het schaduwmasker is 2000 m en de kanaallengte van het schaduwmasker is 30 m. Eindelijk, MAPbBr₃ oplossing werd spin-gecoat op de EA-film door middel van een tweestapsmethode om het fabricageproces te voltooien. In de eerste stap werd de oplossing gecentrifugeerd met een snelheid van 1000 tpm gedurende 10 s en vervolgens gecentrifugeerd met een snelheid van 5000 tpm gedurende 30 s. Tijdens de tweede stap werd 22 s voor het einde van de spincoating 50 μL tolueen op het spinsubstraat gedruppeld.

Karakterisering

Keithley 4200 werd gebruikt om de elektrische karakteriseringen onder omgevingsomgeving bij kamertemperatuur te meten. XZ-150WA koudlichtverlichting werd gebruikt als een bron van wit licht. Voordat het witte licht werd gebruikt, werd de intensiteit van het licht gemeten met een monosiliciumdetector. Newport Oriel 200 werd gebruikt als een bron van monochromatisch licht. SEM (Hitachi S-4800) werd gebruikt om het oppervlaktebeeld en de morfologie van de film te karakteriseren. JASCO V-570 spectrofotometer werd gebruikt om de absorptiespectra te registreren. KRATOS AXIS ULTRA DLD foto-elektronspectroscopiesysteem met een ongefilterde He I (21,22 eV) gasontladingslamp werd gebruikt om de UPS-analyse vast te leggen. Rifaku D/MAX-2004 XRD met Cu K straling ($ \lambda =1.54178\ \mathrm{\AA} $) werd gebruikt om de fase-identificatie van de film te bestuderen, die werkt bij 60 mA en 40 kV.

Conclusies

Concluderend, een perovskiet/EA/TiO₂ drielaagse fotodetector is ontworpen en gefabriceerd. De donkerstroom is aanzienlijk verminderd in een drielaags fotodetectorapparaat vanwege de gevormde heterojunctie. De EA-film en de alcoholische TiO₂ film werden gebruikt om perovskiet/EA/TiO₂ . te fabriceren drielaags fotodetectorapparaat. In dit type ontwerp wordt licht geabsorbeerd in perovskietfilm en worden foto-elektronen getransporteerd in alcoholische TiO₂ film, en EA is verantwoordelijk voor het verminderen van de mismatch van de energiebarrière en verbetert de foto-elektronenextractie. Wanneer licht wordt verlicht, worden ladingsdragers gescheiden door de heterojunctie. De elektronen worden overgebracht naar de EA-laag en vervolgens overgebracht en getransporteerd naar alcoholische TiO₂ , en de gaten blijven in de perovskietlaag. Als gevolg hiervan wordt de recombinatie van de ladingsdrager onderdrukt en verbetert de fotostroom. De algehele prestatie van een drielaags apparaat toont D * van 1,51 × 10¹² Jones, aan-uit-verhouding van 2700, R van 0,13 A W⁻¹ , stijg- en vervaltijd van 0,49/1,17 s en LDR van 68,6 dB. De MAPbBr₃ /EA/TiO₂ fotodetectorapparaat vertoont zeer hoge prestaties in vergelijking met apparaten op basis van één kristal en apparaten op basis van 2D-materiaal. De stabiliteit van het drielaagse apparaat in een omgevingsomgeving is van groot belang in toekomstige opto-elektronische apparaten. Een gemodificeerde grenslaag en elektronentransportlaag kunnen de recombinatie van de drager aanzienlijk onderdrukken en de prestaties van perovskiet-fotodetectorapparaten verbeteren. Deze benadering kan een belangrijke rol spelen bij het verbeteren van de apparaatprestaties door heterojunctie-aanpassingen.