Alle-perovskiet fotodetector met snelle respons

Resultaten en discussie

Zoals getoond in Fig. 1a, zijn de fotodetectoren samengesteld uit een poortelektrode, een siliciumwafer (n ⁺ Si) met een 300 nm dikke SiO₂ laag (capaciteit C _os van 11,5 nFcm ⁻² ), actieve laag (organische-anorganische hybride perovskiet dunne film bereid door een stap spin-coating oplossing verwerking), gedecoreerde laag (CsPbBr₃ QD's), en source- en drain-elektroden (thermisch verdampt via maskers). Figuur 1 b beschrijft het beeld van de dwarsdoorsnede scanning elektronenmicroscopie (SEM) van het apparaat. De dikte van SiO₂ diëlektrische laag is 300 nm, CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x perovskiet actieve laag is ongeveer 102 nm, en de versierde CsPbBr₃ QDs-laagfilm is ongeveer 97 nm. Het diagram laat duidelijk zien dat de interface tussen CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x perovskiet en CsPbBr₃ QDs is helder en heeft geen tussenlaag, wat geoptimaliseerde foto-elektrische eigenschappen vertoont. Zoals eerder vermeld, speelt bij foto-FET's de dikte van het halfgeleidende kanaal een cruciale rol. Ten eerste is een dunnere actieve laag nodig om het gedrag goed af te stemmen. De dunnere perovskietfilms zijn echter geneigd om gaatjes te produceren, wat leidt tot inhomogene geleiding in het kanaal. Ondertussen betekent de dunnere actieve laag ook een lage fotonabsorptie. De geoptimaliseerde dikte van de CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x film in ons apparaat is ongeveer 102 nm. Om de interactie tussen licht en materie in een dunner perovskietapparaat te verbeteren, 97-nm CsPbBr₃ QD-laag, optimale sensibilisator met sterke absorptie wordt voorbereid. TEM-afbeelding van CsPbBr₃ QDs, in Fig. 1c, toont de uniforme deeltjesgrootte en rechthoekige vorm. De inzet van figuur 1c toont de röntgendiffractie (XRD) pieken. De pieken vertonen een typische kubische structuur (JCPDS nr. 54-0752), die samenvalt met de TEM-resultaten. Verder, om de kristalliniteit van de CH₃ . te onderzoeken NH₃ PbI_3−x Cl_x film, röntgendiffractie (XRD) spectrum van de perovskietfilm gesynthetiseerd op een glassubstraat krijt omhoog. Figuur 1d geeft het XRD-spectrum weer, en vier karakteristieke pieken gecentreerd op 14,2 °, 28,6 °, 31,02 ° en 43,38 ° zijn toegewezen aan respectievelijk de (110), (220), (310) en (330) vlakken, wat aangeeft dat de halide-perovskietfilms de verwachte orthorhombische kristalstructuur met hoge kristalliniteit bezitten, wat consistent is met de gerapporteerde literatuur [34,35,36,37,38].

Apparaatstructuur en gerelateerde kenmerken. een Schema van CCPD. b Dwarsdoorsnede SEM-beeld van de fotodetectoren met een schaal van 500 nm. c TEM-afbeelding van CsPbBr₃ QD's met een schaal van 20 nm, de inzet is het XRD-spectrum van CsPbBr₃ QD's. d XRD-spectrum van CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x perovskiet film. e Optisch absorptiespectrum van CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x perovskiet (olijflijn) en perovskiet versierd met CsPbBr₃ QD's (oorsprongslijn) op een glassubstraat

Volgens lichtabsorptiecurven van de CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x perovskiet (blauwe lijn) en perovskiet gedecoreerd door CsPbBr₃ QD's (roze lijn) zoals getoond in Fig. 1e, de versierde CsPbBr₃ QD's kunnen de absorptie alleen voor een smal bereik (400-500 nm) verbeteren in vergelijking met CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x laag alleen. Verder hebben we ook de bandgap van QD's berekend volgens de Tauc-vergelijking [39,40,41,42,43,44] zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S1. De bandgap is ongeveer 2,38 eV. Het fotoluminescentie (PL) spectrum van QD's wordt ook getoond in aanvullend bestand 1:figuur S2, de centrale golflengte van PL is bijna gelijk aan de absorptierand.

Vervolgens werden de elektrische eigenschappen van de apparaten onderzocht. Figuur 2a beschrijft de I–V kenmerken van fotodetectoren met gevarieerde poortspanningen (0 V, ± 0,2 V, ± 0,4 V, ± 0,6 V, ± 0,8 V, ± 1,0 V) in het donker. Er zijn twee toestanden in detectoren, volgens figuur 2a. Bij UIT-status (|V _GS | =0), de spectraallijnen zijn lineair, en I _DS neemt snel toe met de toename van V _DS , wat aangeeft dat er zich een Schottky-barrière vormt in het apparaat. Terwijl in de AAN-status (|V _GS | ≥ 0,4 V), verschijnen lineaire tot verzadigingsstroom-spanningskarakteristieken als de spanning toeneemt, vergelijkbaar met traditionele FET's. Omdat de excitonen in de valtoestanden [45] van perovskiet blijven die niet kunnen worden omgezet in de fotostroom, wat leidt tot de verzadiging van de fotostroom.

Elektrische eigenschappen van de perovskiet-fotodetector. een Uitgangskarakteristieken bij verschillende V _GS in de duisternis. b Overdrachtskenmerken (I _DS vs V _GS ) bij V _DS =0,1 V bij verlichting (rode lijn) en in het donker (zwarte lijn). c Overdrachtscurve van fotodetector als functie van negatieve gate-source spanning bij V _DS =1 met variërende optische invalsvermogens. d Responsiviteit (R ) met een relatie van excitatielicht (E _e )

De ambipolaire prestatie kan worden geconcludeerd uit de overdrachtskenmerken (Fig. 2b) onder donkere en lichte verlichting, d.w.z. voor zowel negatieve V _GS en V _DS , werkt het apparaat als de modus voor het verbeteren van gaten en, integendeel, het apparaat werkt in de modus voor het verbeteren van elektronen met zowel positieve V _GS en V _DS . Vanwege het verschil in elektronenpotentialen hebben gaten die zijn gescheiden van foto-excitonen die in heterojunctie worden gegenereerd, de neiging om in de perovskietlaag te verblijven. Door de invallende vermogensdichtheid te vergroten, is de overdrachtssnelheid van gaten hoger dan die van elektronen. De curve verschuift naar positieve V _GS in Fig. 2b geeft aan dat de heterojunctie de neiging heeft om p . te zijn - typ dit apparaat in. Ondertussen kan in het lineaire gebied de relatie tussen veldeffectmobiliteit en poortspanning worden geëxtraheerd met de vergelijking van

waar L en W zijn respectievelijk de lengte en breedte van het kanaal, en C _os is de capaciteit per gebied. Daarom kan de mobiliteit voor zowel gaten als elektronen worden berekend als 172 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ en 216 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Deze gebalanceerde mobiliteit van gaten en elektronen verklaart verder het ambipolaire gedrag van het apparaat onder lichte verlichting.

Figuur 2c en d beschrijven de foto-elektrische eigenschappen van het gefabriceerde apparaat. Figuur 2c toont de curve van fotodetectoren als functie van de negatieve gate-source spanning bij V _DS =− 1 V met variërende optische invalsvermogens. Het is duidelijk dat het apparaat n . vertoont -type dopinggedrag. Ingebouwd veld bij de heterojunctie bevordert meer scheiding van elektron-gatparen en versnelde injectie van gaten in het perovskietkanaal voor negatieve V _GS en V _DS .

Afbeelding 2d toont de R van het apparaat met de relatie van bestraling (E _e ), waarbij de golflengte van invallend licht 405 nm is. Zoals te zien is, is de R neemt lineair af met E _e bij stralingsvermogen van minder dan 200 mW/cm ² , terwijl het afwijkt van lineariteit bij vermogensinstraling groter dan 200 mW/cm ² .

Om inzicht te krijgen in de superieure prestaties van de CCPD. Een reeks vergelijkingen is noodzakelijk. Afbeelding 3a toont de vergelijking van R over het apparaat met de relatie van bestraling (E _e ), waarin CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x perovskiet-fotodetector (CPD) en CCPD zijn verantwoordelijk voor de wederzijdse functieaanpassing. De R , als een verdienste in fotodetector, kan worden berekend met de formule van

Belangrijkste parameters van CCPD. een R van CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x perovskiet-apparaten (blauwe lijn) en perovskiet gedecoreerd door CsPbBr₃ QDs-apparaten (roze lijn). b D * als functie van de verlichtingsintensiteit E _e . In de test werd een continue laser van 405 nm gebruikt, aangelegde spanning V _DS =V _GS =1, en bestraling E _e =0, 166, 335, 492, 648 mW/cm ²

waar L is de kanaallengte (0,1 mm), W is de kanaalbreedte (2,5 mm), en I _p is de verschilwaarde tussen lichte fotostroom en donkere fotostroom gemeten bij V _DS =1 V in de uitgangscurve. De maximale R wordt berekend op 0,39 A/W (in CCPD), duidelijk groter dan die van 0,22 A/W (in CPD). De verbeterde responsiviteit van CCPD wordt toegeschreven aan de CsPbBr₃ QDs-sensibilisator met hoge lichtabsorptie en efficiënte dragerinjectie in de perovskietlaag.

Detectiviteit (D* ) is een andere belangrijke parameter voor het evalueren van de prestaties van fotodetectoren. Op basis van een reeds bestaande numerieke waarde van de responsiviteit, de D * versus bestraling (E _e ) kan worden geschat met de volgende vergelijking:

$$ {D}^{\ast }=\frac{RA^{\frac{1}{2}}}{{\left(2{eI}_{DS}\right)}^{\frac{1 }{2}}} $$ (3)

Waar R , A , e , en ik _DS zijn respectievelijk de responsiviteit, het beschikbare kanaalgebied van de apparaten, de lading van een elektron en de donkerstroom. Zoals getoond in Fig. 3b, is het duidelijk dat D* van CCPD (5,43 × 10 ⁹ Jones) is aanzienlijk hoger dan die van CPD (1,25 × 10 ⁹ Jones). Verder bewezen gesensibiliseerd kanaalmateriaal met sterk absorberende CsPbBr₃ QD's kunnen de apparaatprestaties verbeteren.

Andere belangrijke parameters vertegenwoordigen de prestaties van de fotodetector, zoals het ruisequivalentvermogen (NEP ), en de versterking (G ) kan worden gegeven als [46]

$$ NEP=\frac{A^{\frac{1}{2}}}{D^{\ast }}\kern0.72em G=\frac{h\nu}{e}R $$ (4)

waar R , A , e , en ik _DS dezelfde betekenis hebben als de vorige. Vooral wanneer de maximale R van CCPD is 0,39 A/W, de D* bereikt 5,43 × 10 ⁹ Jones. In deze toestand is de NEP en G van dit apparaat kan worden ontvangen met een ongelooflijk hoge waarde van 9,21 × 10 ⁻¹² respectievelijk W/Hz en 1.197.

Verantwoordelijkheid voor optische signalen is een belangrijke index voor efficiënt vervoer en verzameling van dragers. Afbeelding 4a toont de afvoerstroom met aan-uit-lichtcycli met een tijdsinterval van 20 ms en vooringenomen V _DS =1 V, V _GS =1 V. Zoals te zien is, stijgt de stroom snel zodra het licht wordt ingeschakeld en neemt snel af terwijl het licht uitgaat, wat wijst op de goede stabiliteit en reproduceerbaarheid in de voortgang van aan-uit-cycli met een lichtinstraling van 648 mW / cm ² bij 405 nm. Een tijdsinterval van 20 ms is echter te lang om de fotostroomrespons van het apparaat uit te drukken. Om de responstijd van het apparaat te berekenen, wordt een gepulseerde lichtbron van 4000 Hz gebruikt om het apparaat te bestralen. Figuur 4b toont de tijdelijke fotostroomrespons van de afbeelding. De stijg- en daaltijden van de fotostroom zijn respectievelijk ∼121 en ∼107 μs, wat wijst op een ultrasnelle reactiesnelheid dan eerdere rapporten, zoals weergegeven in tabel 1.

Fotoresponskenmerken van CCPD. een Huidige respons van de apparaten onder bestraling (λ =405 nm) bij V _DS =1 V en V _GS =1 V. b Tijdelijke fotostroomrespons van de CCPD onder bestraling van 648 mW/cm ²

Het werkingsprincipe en grensvlakprocessen van CCPD zijn schematisch weergegeven in Fig. 5. De gefabriceerde detector werd geëxciteerd met een laser van 405 nm (3,06 eV), welke fotonenergie groter is dan zowel de hybride perovskiet (1,5 eV) als CsPbBr3 (2,4 eV) om het genereren van exciton in beide lagen te verzekeren. Als de discrepantie van Fermi-energie (E _F ) van CsPbBr₃ en hybride perovskiet, zou de heterojunctie worden gevormd op de grensvlakken van de twee lagen, wat de diffusie van de dragers zou bemiddelen of onderdrukken. Gelukkig is de E _F van CsPbBr₃ is hoger dan die van hybride perovskiet en leidt tot een energieconfiguratie zoals weergegeven in Fig. 5. Volgens deze energieniveauconfiguratie kan de interface het transport van beide dragers van de sensibiliserende laag naar de actieve laag bemiddelen, wat de prestaties van de apparaat. Aan de andere kant heeft de ongerepte perovskiet een lage dichtheid van oppervlaktetoestanden [49], wat ertoe leidt dat de band gemakkelijk buigt naar een lichtabsorberende laag wanneer de twee lagen een heterojunctie vormen. Deze uitlijning van het energieniveau speelt een belangrijke rol bij de diffusie van elektronen van de absorptielaag van de sensibilisator naar de perovskiettransportlaag. De configuratie van het energetische niveau kan de gaten die vanuit de CsPbBr₃ . worden geïnjecteerd, versnellen gesensibiliseerde absorptielaag naar hybride perovskiet-overdrachtslaag, die samenvalt met de significante stroomtoename in negatieve V _GS bij lichte verlichting (getoond in Fig. 2b). Ondertussen is de heterojunctie in hybride perovskiet/CsPbBr₃ uitputtingslaag versnelt de scheidingssnelheid van elektron-gatparen en verkort de scheidingstijd, wat leidt tot een snelle respons van honderd microseconden.

Schema van het banddiagram van hybride perovskiet/CsPbBr₃ heterostructuur

Conclusie

Concluderend hebben we zeer lichtgevoelige perovskiet-fotodetectoren gedemonstreerd die zijn versierd met perovskiet-QD's. Deze nieuwe fotodetector wordt gebruikt in een zichtbaar lichtgebied, dat een hoge responsiviteit lijkt te hebben (R =0,39 A/W), detectiviteit (D* =5.43 × 10 ⁹ Jones), en vervoerdermobiliteit (μ _p =172 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ en μ _n =216 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ). Ondertussen vertonen de apparaten ook een snelle respons (stijgtijd 121 μs en valtijd 107 μs) en een betere aan-uit stabiliteit en reproduceerbaarheid onder 405 nm verlichting. Aan de ene kant verlaagt de brede elektrode-overspanning (honderden micrometers) echter de prestaties van apparaten zoals fotostroomgerelateerde responsiviteit. Er moeten inspanningen worden geleverd om de elektrode-afstandsbreedte te verkleinen voor efficiënt ladingstransport met minder recombinatie. Aan de andere kant blijft de korte levensduur (enkele dagen) van de CCPD het ernstige knelpunt bij commerciële toepassing. Om de levensduur te verbeteren, zullen verdere studies zich richten op het begrip van ligandeffecten in de hybride perovskiet-quantum dot-apparaten.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De conclusies in dit manuscript zijn gebaseerd op de gegevens (hoofdtekst en figuren) die in dit artikel worden gepresenteerd en getoond.

Afkortingen

PD's:

Fotodetectoren

CPD:

CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x perovskiet fotodetector

CCPD:

CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl_x -CsPbBr₃ fotodetector

QD's:

Kwantumstippen

FET's:

Veldeffecttransistors

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

SEM:

Cross-sectionele scanning-elektronenmorfologie

XRD:

Röntgendiffractie

NEP:

Ruis equivalent vermogen

G :

Winst