Lösungsverarbeitete Dreischichtstruktur für Hochleistungs-Perowskit-Photodetektor

Einführung

Photodetektoren haben ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich optischer Kommunikation, biomedizinischer Sensorik und Überwachung der Umweltverschmutzung [1,2,3]. In den letzten Jahren haben organisch-anorganische Bleihalogenid-Perowskitmaterialien aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften wie hoher optischer Absorption, langer Ladungsträgerlebensdauer und langer Diffusionslänge übermäßige Beachtung gefunden [4,5,6,7,8,9] . Diese Eigenschaften legen nahe, dass organisch-anorganische Perowskite ausgezeichnete Materialien für Photodetektoranwendungen sind [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. Bisher wurde die vertikale Struktur häufig für Photodetektoren verwendet [22,23,24,25,26,27]. Vor kurzem haben Zhang et al. hergestellten Perowskit-Photodetektor unter Verwendung einer vertikalen Struktur [27]. Dieses Gerät zeigte eine gute Lichtleistung und Leistung, litt jedoch unter einem hohen Dunkelstrom (1,5 nA). Interessanterweise haben laterale Strukturen von Photodetektoren aufgrund geringer Leitungsverluste und ihres einfachen und kostengünstigen Herstellungsprozesses enorme Beachtung gefunden. Materialien wie Übergangsmetalldichalkogenide [28, 29], Metalloxide [30, 31] und organische Materialien [32, 33] wurden für Photodetektoranwendungen verwendet, darunter Perowskitmaterialien, die viel Beachtung fanden. Einschichtige Perowskit-Bauelemente wurden hergestellt, zeigten jedoch ein niedriges Ein/Aus-Verhältnis, einen hohen Dunkelstrom und eine geringe elektrische Instabilität [34, 35]. Ding et al. stellten ein einschichtiges Bauelement her, das einen hohen Dunkelstrom, eine niedrige Detektivität und ein niedriges Ein-Aus-Verhältnis aufweist [35]. Ein organischer Perowskit-Photodetektor, der von Wang et al. haben eine gute Leistung erreicht, aber einen großen Dunkelstrom (im Bereich von 10 ^–7 bis 10 ^–8 A) [36]. Chenet al. hergestellten Doppelschicht-Perowskit-Photodetektor durch Einführung einer organischen Polymerschicht und einer modifizierten Heteroübergangsgrenzfläche, um die Geräteleistung zu verbessern, aber das Gerät weist immer noch einen großen Dunkelstrom und eine geringe Detektivität auf [37]. Allerdings geringe Detektivität (D *) und ein hoher Dunkelstrom wird aufgrund der schlechten Grenzflächenfehlanpassung der Heteroübergangsstelle beobachtet, die die Ladungsträgerrekombination verstärkt. Daher ist die geeignete Materialwahl für die Zwischenschicht wichtig für die Geräteleistung [33, 38]. Einkristall CH₃ NH₃ PbBr₃ Photodetektoren wurden ebenfalls hergestellt [39,40,41], aber ihre Ergebnisse sind wegen des kleinen Ein-Aus-Verhältnisses und des hohen Dunkelstroms (≈10 ⁻¹⁰ A).

Viele Ansätze wurden angewendet, um die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung durch Ausgleichen des Ladungsträgertransports und Minimieren des Übergangswiderstands durch Anpassen der Energieniveaus zwischen den Materialschichten zu verbessern. Beispielsweise wurden Metallfluoride [42], konjugierte Polyelektrolyte [43] und polare Lösungsmittel [44] verwendet, um die Fehlanpassung der Energiebarriere zwischen Metalloxiden (ZnO, MoO₃ , ZrO₂ ) und aktive Schichten, um die Leistung der optoelektronischen Vorrichtung zu verbessern.

In diesem Artikel haben wir einen lateralen dreischichtigen Perowskit-Photodetektor durch Einfügen einer Grenzflächendipolschicht aus Ethanolamin hergestellt, der eine hohe Elektronenextraktion mit Unterdrückung der unerwünschten Ladungsträgerrekombination bietet, und als Ergebnis zeigt das Gerät eine verbesserte Leistung. In dieser entworfenen Struktur Licht mit einer Intensität von 0,5 mW cm ^–2 absorbiert in CH₃ NH₃ PbBr₃ Die Bewegung des Films und des Trägers wird im alkoholischen TiO₂ . gehalten Film. Eine Energiebarrierelücke zwischen dem alkoholischen TiO₂ und CH₃ NH₃ PbBr₃ Film wird durch Einbringen einer Ethanolaminschicht reduziert. Der entwickelte dreischichtige Photodetektor zeigt eine hervorragende Leistung bei einem niedrigen Dunkelstrom von 1,5 × 10 ⁻¹¹ A, Photodetektivität von 1,51 × 10 ¹² Jones, Ein-Aus-Verhältnis von 2700, Anstiegszeit von 0,49 s, Abklingzeit von 1,17 s, linearer Dynamikbereich (LDR) von 68,6 dB, mit hoher Umgebungsstabilität.

Ergebnisse und Diskussion

Ein- und dreischichtige Fotodetektoren wurden auf einem Glassubstrat hergestellt, wie in Fig. 1a bzw. b gezeigt. Vor allem das TiO₂ (in Ethanol gemischt) wurde auf einem Glassubstrat hergestellt und dann wurde ein Ethanolaminfilm auf dem TiO₂ . abgeschieden , danach wurden 60 nm dicke Al-Elektroden durch thermisches Verdampfen auf einem Ethanolaminfilm unter Verwendung einer Lochmaske abgeschieden, was zu einer Kanalbreite von 2000 μm und einer Kanallänge von 30 μm führte. Dann MAPbBr₃ Film wurde auf dem Ethanolamin (EA)-Film abgeschieden (Details sind im Abschnitt "Methoden/Experiment"). Abbildung 1c zeigt das Bild des dreischichtigen Fotodetektors.

a Das einschichtige Gerät. b Das dreischichtige Gerät. c Optisches Bild des Dreischichtgeräts

Abbildung 2a zeigt das XRD-Muster (Röntgenbeugung) von MAPbBr₃ Film und die MAPbBr₃ /EA/TiO₂ dreischichtiger Film. Vier Peaks von MAPbBr₃ und MAPbBr₃ /EA/TiO₂ Dreischichtfilm bei 15,16°, 30,32°, 46,04° und 62,76° deutlich beobachtet. Es gibt keine charakteristischen Peaks von PbBr₂ , alkoholisches TiO₂ , und EA beobachtet in MAPbBr₃ /EA/TiO₂ dreischichtiger Film. Es zeigt eine hohe Reinheit des Perowskits. Die Abb. 2b zeigt die Absorption von ein- und dreischichtigen Filmen. TiO₂ und EA-Filme zeigen keine Absorption. Die gesamte Absorption erfolgt in einem Perowskitfilm sowohl für Einzel- als auch für Dreischichtvorrichtungen. Zwischen MAPbBr₃ . wird kein deutlicher Absorptionsunterschied beobachtet Film und MAPbBr₃ /EA/TiO₂ dreischichtiger Film. Eine Bandlücke von 2,3 eV wird auch in Absorptionsspektren beobachtet. Absorption bei verschiedenen (PbBr₂ )-Verhältnisse ist in Abb. 2c dargestellt.

a Röntgenbeugungsmuster des MAPbBr₃ Film und die MAPbBr₃ /EA/TiO₂ dreischichtiger Film. b MAPbBr₃ Film und MAPbBr₃ /EA/TiO₂ dreischichtige Filmabsorptionsspektren. c Absorptionsspektren bei verschiedenen Verhältnissen von PbBr₂

Die Oberflächenmorphologie des MAPbBr₃ Film wurde durch Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Auf dem Perowskitfilm wurde beim Glühen bei höherer Temperatur eine große Anzahl von Nadellöchern und Rissen beobachtet, wie in Abb. 3a gezeigt. Da die Pinholes oder Risse als nicht strahlende Rekombinationszentren wirken, führt dies zu einer nachteiligen Geräteleistung [45]. Andererseits wurde eine dichte und rissfreie Morphologie mit großer Korngröße erhalten, wenn der Perowskitfilm 10 min lang bei 75 °C getempert wurde (Abb. 3b). Somit trug die optimierte Tempertemperatur dazu bei, hochkristalline Filme ohne Pinholes und Risse zu erhalten, die die Trenn- und Transportprozesse von photoangeregten Trägern fördern können [45, 46].

SEM-Bild von hergestelltem MAPbBr₃ Film behandelt a bei 100 °C und b bei 75 °C

Abbildung 4a–c zeigen die Bandenenergiediagramme des alkoholischen TiO₂ , Ethanolamin und MAPbBr₃ (bestimmt durch Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS)-Messung). Die erreichten Fermi-Werte für alkoholisches TiO₂ , Ethanolamin und Perowskit betragen 3,84, 4,35 bzw. 5 eV. Die berechneten Leitungsbandmaxima (CBM) für alkoholisches TiO₂ , Ethanolamin und Perowskit betragen 3,81, 3,62 bzw. 3,4 eV. Bandenergiediagramm von MAPbBr₃ /EA/TiO₂ zeigt, dass photogenerierte Exzitonen in dem Perowskitfilm gebildet werden, wie in Fig. 4d gezeigt. Daher können Elektronen und Löcher durch den MAPbBr₃ . getrennt werden /EA-Schnittstelle. Elektronen fließen zu EA und fallen dann in das TiO₂ Film, und Fotolöcher würden im MAPbBr₃ verbleiben filmen.

Die UPS (ultraviolette Photoelektronenspektren) von a TiO₂ Film. b Ethanolamin-Film. c MAPbBr₃ Film. d Energiebanddiagramm. Ich –V Eigenschaften von Fotodetektoren im optimalen Verhältnis (1:1):e im Dunkeln, f unter dem Licht mit einer Intensität von 0,50 mW cm ⁻² . g Ich –V Eigenschaften des Dreischicht-Photodetektors bei verschiedenen Perowskit-Verhältnissen

Abbildung 4e, f zeigt das I -V Kurven des alkoholischen TiO₂ Gerät, MAPbBr₃ Gerät und der MAPbBr₃ /EA/TiO₂ Dreischichtgerät (bei dunkler und heller Beleuchtung mit einer Intensität von 0,5 mW cm ⁻² ). Ein hoher Dunkelstrom mit einem Wert von 1,24 × 10 ^–8 A wird für alkoholisches TiO₂ . berechnet Gerät, während der Wert des Photostroms dem Wert des Dunkelstroms fast ähnlich ist. Dieser hohe Dunkelstrom und der niedrige Photostrom des Geräts werden bei einer Vorspannung von 5 V beobachtet. Das mit MAPbBr₃ hergestellte einschichtige Gerät zeigt an, dass der Wert des Dunkelstroms 1,41 × 10 ⁻¹⁰ . beträgt A und der Wert des Fotostroms beträgt 9,95 × 10 ⁻⁹ A, das eine bessere Leistung zeigt als alkoholisches TiO₂ -basiertes Gerät. Im Vergleich dazu ist der MAPbBr₃ /EA/TiO₂ Dreischichtgerät zeigt einen niedrigeren Dunkelstrom von 1,51 × 10 ^–11 A und erhöhter Photostrom von 4,09 × 10 ^–8 A. Die Verarmungsregion, die um den MAPbBr₃ . entsteht /EA-Schnittstelle ist der Grund für den geringen Dunkelstrom im MAPbBr₃ /EA/TiO₂ Dreischichtvorrichtung, aufgrund derer leitende Bereiche zusammengezogen wurden und Dunkelstrom unterdrückt wird. Bei einschichtigen Photodetektoren tritt eine große Rekombination auf, da Löcher und Elektronen in derselben Schicht transportiert wurden. Aus diesem Grund ist der Photostrom des Dreischicht-Photodetektors höher als bei anderen Einschicht-Photodetektoren. Beim Dreischicht-Photodetektor werden photogenerierte Elektronen und Löcher durch Heteroübergang getrennt. Elektronen bewegen sich von MAPbBr₃ Film zum EA-Film und dann in alkoholisches TiO₂ über die Schnittstelle filmen. Aus diesem Grund werden Elektronen von den Löchern getrennt, wodurch die Ladungsträgerrekombination drastisch reduziert wird und dies zu einem größeren Photostrom führt. Wir haben verschiedene Perowskit-Verhältnisse angewendet, um die Geräteleistung zu verbessern, wie in Abb. 4g gezeigt. Das optimale Perowskit-Verhältnis für einen Dreischicht-Photodetektor beträgt 1:1.

Reaktionsfähigkeit (R ) und Detektivität (D ^* ) sind wichtige Faktoren für Fotodetektoren. Wo Reaktionsfähigkeit definiert ist als:

Wo ich _p repräsentiert den Strom unter weißem Licht und I _d stellt Strom im Dunkeln dar. P _in repräsentiert die effektive einfallende Lichtleistung im effektiven Bereich (Elektrodenkanalbereich) [15]. Reaktionsfähigkeit (R ) kann durch Verringern der Elektrodenkanallänge verbessert werden, Beleuchtungsstärke P _in , und durch Erhöhen der Vorspannung [30]. Nach Gl. (1), die Ansprechempfindlichkeit des dreischichtigen Fotodetektors beträgt 0,13 A W ^–1 mit einfallendem Weißlicht von 0,5 mW cm ⁻² , während 0,03 A W ⁻¹ die Ansprechempfindlichkeit wird für ein einschichtiges Photodetektorgerät berechnet. Ein erhöhter Photostrom und ein unterdrückter Dunkelstrom sind der Grund für das verbesserte Ansprechverhalten der dreischichtigen Photodetektorvorrichtung. Abbildung 5a zeigt die Reaktionsfähigkeit der ein- und dreischichtigen Geräte.

a Reaktionsfähigkeit und (b ) Detektivität von ein- und dreischichtigen Bauelementen bei unterschiedlicher angelegter Spannung bei einer Lichtintensität von 0,5 mW cm ^–2 . c Spektrale Empfindlichkeit, d spektrale Detektivität und (e ) EQE-Spektren von zwei Photodetektoren unter Lichtbeleuchtung von 10,6 μW cm ⁻² und eine Vorspannung von 5 V

Detektivität wird wie folgt definiert:

Wo R ist die Ansprechempfindlichkeit des Fotodetektors, S der effektive Kanalbereich unter Beleuchtung ist und q repräsentiert die elektronische Ladung (1,6 × 10 ⁻¹⁹ C) [16]. Die Detektivität ist ein wichtiger Parameter, um die Lichtempfindlichkeit eines Photodetektors anzugeben. Eine höhere Detektivität bedeutet eine größere Empfindlichkeit beim Detektieren von Lichtsignalen. Abbildung 5b zeigt die Detektivität der ein- und dreischichtigen Geräte.

Nach Gl. (2), die für das Dreischichtgerät berechnete Detektivität beträgt 1,51 × 10 ¹² Jones (Lichtintensität beträgt 0,5 mW cm ⁻² und Vorspannung von 5 V), während ein Wert von 1,19 × 10 ¹¹ Jones wird für den einschichtigen MAPbBr₃ . berechnet Gerät. Das dreischichtige Gerät weist im Vergleich zu einem einschichtigen Gerät eine hohe Detektivität auf. Das sehr hohe D * des dreischichtigen Gerätes liegt an seinem sehr niedrigen Dunkelstrom.

Abbildung 5c, d zeigt die spektrale Empfindlichkeit und Detektivität des Einzel- und Dreischicht-Photodetektors bei 5 V und einer Lichtbeleuchtung von 10,6 μW cm ⁻² . Dreischichtiges Gerät zeigt eine hohe Ansprechempfindlichkeit von 0,33 A W ^–1 und hohe Detektivität von 4,46 × 10 ¹² Jones bei der Wellenlänge 520 nm. Bei einem einschichtigen Gerät beträgt die Ansprechempfindlichkeit 0,14 A W ^–1 und Erkennungsvermögen beträgt 1,9 × 10 ¹² Jones. Dies zeigt, dass der dreischichtige Photodetektor ein sehr schwaches Lichtsignal detektieren kann. Externe Quanteneffizienz (EQE)-Spektren beider Geräte werden wie in Abb. 5e gezeigt gemessen. EQE für einschichtige Geräte wurde bis zu 30 % und für dreischichtige Geräte bis zu 80 % bei einer Vorspannung von 5 V gemessen. Die Absorptionskurve (Abb. 2b) verstärkt auch die Ergebnisse der EQE-Spektren.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und der lineare Dynamikbereich (LDR) sind zwei weitere wichtige Parameter zur Charakterisierung eines Photodetektors, die wie folgt beschrieben werden:

Wo J _Licht und J _dunkel sind Photostrom bzw. Dunkelstromdichte [24]. Das SNR kann Details über den Pegel eines gewünschten Signals (Photostrom) zum Hintergrundrauschen (Dunkelstrom) liefern; Hintergrundrauschen ist weniger stark ausgeprägt, wenn der SNR-Wert hoch ist. Der Bereich der einfallenden Lichtleistung kann durch LDR gemessen werden. Sie wird im Allgemeinen in Dezibel (dB) angegeben. LDR und SNR der beiden Fotodetektoren werden unter einer angelegten Spannung von 5 V gemessen. Das SNR des einschichtigen Geräts beträgt 69. Der dreischichtige Fotodetektor zeigt ein weitaus größeres SNR von 2700. Der berechnete LDR des dreischichtigen Fotodetektors beträgt 68,6 dB, während für einschichtiger Fotodetektor, LDR beträgt 36,9 dB. Die verbesserte Ansprechempfindlichkeit, Detektivität, LDR und SNR zeigen deutlich den Vorteil des dreischichtigen Fotodetektors gegenüber dem einschichtigen Fotodetektor.

In Fig. 6 wurden die Ein-/Ausschalteigenschaften von zwei Fotodetektoren bei einer Lichtintensität von 0,5 mW cm ^–2 . gemessen und angelegte Vorspannung von 5 V. Beide Photodetektoren zeigen ausgezeichnete Ein-Aus-Schaltwiederholungen, gezeigt in Fig. 6a, c. Ein Ein-Aus-Zyklus beider Geräte ist in Abb. 6b, d gezeigt. Bei einem einschichtigen Gerät steigt der Strom an und erreicht seinen Maximalwert und nimmt dann unter Beleuchtung langsam ab, bis das Licht aus ist. Dieses Phänomen tritt bei einschichtigen Photodetektoren auf, weil die photoerzeugten Ladungsträger an Emissionsstellen tiefer Ebene rekombinieren, wodurch der Photostrom im Laufe der Zeit abnimmt. Während bei einem Dreischicht-Perowskit-Photodetektor der Strom sehr schnell ansteigt und seinen Maximalwert erreicht, bleibt er dann unter Beleuchtung stabil, bis das Licht ausgeschaltet wird. Dieses Phänomen tritt auf, weil die Emissionsstellen der tiefen Ebene die photogenerierten Ladungsträger nicht so stark beeinflussen [38]. Das berechnete Ein-Aus-Verhältnis betrug 70 für ein einschichtiges Fotodetektorgerät und die gemessene Anstiegs-/Abklingzeit beträgt 0,72 / 1,72 s. Bei einem dreischichtigen Gerät beträgt das Ein-Aus-Verhältnis 2700 und die Anstiegs-/Abklingzeit beträgt 0,49/1,17 s. Die Anstiegs-/Abklingzeit für eine dreischichtige Fotodetektorvorrichtung ist im Vergleich zu einer einschichtigen Fotodetektorvorrichtung aufgrund der schnelleren Elektronen- und Löchererzeugung und des Rekombinationsphänomens kleiner. Die Zeit, die der Photostrom benötigt, in der er 90% seines Maximalwertes erreicht, wird als Anstiegszeit bezeichnet, und die Zeit, die der Photostrom benötigt, in der er auf 10% seines Maximalwerts abfällt, wird als Abklingzeit bezeichnet [17]. Bei herkömmlichen Halbleitern ist der Wert der Anstiegszeit und Abklingzeit groß und entsteht durch langlebige Fallen. Die Trennung und Rekombination der Ladungsträger um den Übergang herum ist der Grund für ein hohes Ein-Aus-Verhältnis, eine verbesserte Ansprechempfindlichkeit, eine hohe Detektivität und einen hohen LDR [3, 30]. Dies ist der Grund, aus dem eine kürzere Anstiegszeit und Abklingzeit der dreischichtigen Photodetektorvorrichtung erreicht wird.

Ein-/Ausschaltcharakteristik von a , b einschichtig (MAPbBr₃ ) Fotodetektor. c , d Dreischichtiger Fotodetektor (bei einer Lichtintensität von 0,5 mW cm ^–2 und angelegte Vorspannung von 5 V)

Schließlich wurden die Proben in einer Umgebung mit 30–40% relativer Luftfeuchtigkeit platziert, um die Umgebungsstabilität des Dreischicht-Photodetektors zu untersuchen. Absorption und XRD wurden auf Stabilität gemessen, wie in Abb. 7a bzw. b gezeigt. In den Absorptionsspektren wurden nach 30 Tagen keine spezifischen Veränderungen beobachtet. Das XRD-Muster war nach 30 Tagen fast gleich. Zusätzliche charakteristische Peaks aufgrund der Umgebung wurden nicht beobachtet. Es zeigt die hohe Stabilität unseres Perowskitfilms. Der Dunkel- und Photostrom (unter Weißlichtintensität von 0,5 mW cm ⁻² ) bleiben nach 30 Tagen fast gleich, wie in Abb. 7c gezeigt. Das dreischichtige Fotodetektorgerät zeigt einen nahezu stabilen Fotostrom, was darauf hindeutet, dass unser Gerät stabil ist und weniger durch die Umgebung beeinflusst wird.

a Sichtbare Absorptionsspektren. b XRD-Spektren. c Ich –V Kurven des dreischichtigen Photodetektors wie hergestellt und nach 30 Tagen in Umgebungsumgebung (unter einer Weißlichtintensität von 0,5 mW cm ⁻² )

Gesamtleistung mit D * von 1,51 × 10 ¹² Jones, Ein-Aus-Verhältnis von 2700, Anstiegs- und Abklingzeit von 0,49/1,17 s, LDR von 68,6 dB und EQE von bis zu 80 % wird durch das dreischichtige Gerät erreicht, das die hohe Leistung des dreischichtigen Fotodetektors zeigt. Aufgrund der hervorragenden Grenzfläche zwischen Perowskit, EA und alkoholischem TiO₂ , wird die ausgezeichnete Leistung des Detektors erhalten. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der gegenwärtigen Metallhalogenid-Perowskit-Photodetektoren.

Perowskit-Photodetektor basierend auf SnO₂ wurde ebenfalls hergestellt, und aufgrund des sehr geringen Ein-Aus-Verhältnisses und des hohen Dunkelstroms war die Leistung des Fotodetektors nicht zufriedenstellend, wie in 8a gezeigt. All dies geschah aufgrund einer Fehlanpassung des Energieniveaus [47]. Wir haben auch Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) und eine PCBM:PMMA-Mischung als Elektronentransportschicht für den hergestellten Perowskit-Photodetektor verwendet, aber die Leistung dieser Geräte war viel schlechter als die von SnO₂ -basierte Geräte, wie in Fig. 8b bzw. c gezeigt. Die Wahl einer geeigneten Elektronentransportschicht (ETL) ist sehr wichtig, um eine gute Leistung eines Photodetektors zu erreichen, wie die Experimente deutlich zeigen. Es wurden auch dreischichtige Photodetektorvorrichtungen mit Ag-Elektroden hergestellt, aber die Leistung dieser Vorrichtungen war aufgrund des hohen Dunkelstroms und des niedrigen Photostroms nicht zufriedenstellend, wie in Abb. 8d gezeigt.

Ich –V Kurven. a Perowskit/EA/SnO₂ Gerät. b Das Perowskit/EA/PCBM-Gerät. c Das Perowskit/EA/PCBM:PMMA-Gerät. d Perowskit/EA/TiO₂ Gerät mit Ag-Elektroden

Methoden/Experimental

Materialvorbereitung

PbBr₂ und CH₃ NH₃ Br wurden von Xi’an Polymer Light Technology Corporation gekauft. DMF, DMSO, Ethanolamin und 2-Methoxyethanol wurden von Alfa Aesar bezogen und TiO₂ 10 % löslich in Ethanol (30 nm Partikelgröße) wurden von InnoChem bezogen. Alle Materialien wurden ohne zusätzliche Reinigung verwendet. Als Substrate verwendete Glasobjektträger wurden von SAIL BRAND hergestellt.

TiO₂ in Alkohol

Das TiO₂ wurde in Ethanol (Volumenverhältnis 1:16) mit verschiedenen Konzentrationen eingemischt. Ein 50 μl TiO₂ wird in 800 μL Ethanol gelöst und 1 h bei Raumtemperatur gerührt. Aufgrund des Ladungsträgerblockierungsphänomens von kompaktem TiO₂ , kann sie nicht als gute Elektronentransportschicht verwendet werden [48]. Damit TiO₂ in Alkohol gemischt wurde als ETL verwendet.

Ethanolamin

EA und 2-Methoxyethanol-Mischung wurden unter Verwendung eines zuvor beschriebenen Verfahrens synthetisiert [49]. Die 3%-Gewichtsverhältnisse von Ethanolamin wurden in 2-Methoxyethanol gemischt, um eine Lösungsmischung herzustellen.

Perowskit

Eine 1 M Lösung von CH₃ NH₃ PbBr₃ wurde durch Umsetzung des CH₃ NH₃ Br und PbBr₂ 1:1 (nach Gewicht) in einer Mischung aus Dimethylsulfoxid (DMSO) und N ,N -Dimethylformamid (DMF) mit 1:4 (nach Volumen), dann wurde über Nacht bei einer Temperatur von 70 °C gerührt.

Geräteherstellung

Die Glassubstrate wurden jeweils 20 Minuten lang mit Reinigungsmittel, entionisiertem Wasser, Isopropylalkohol und Aceton-Lösungsmitteln gewaschen und dann mit N₂ . getrocknet Luft und wurden schließlich von O₂ . gereinigt 15 Minuten lang Plasma, um die auf den Substraten zurückgebliebenen Partikel zu entfernen. Zuerst wurden Glassubstrate mit alkoholischem TiO₂ . schleuderbeschichtet bei einer Geschwindigkeit von 4000 U/min für 30 s unter Umgebungsbedingungen und dann bei 150 °C für 30 Minuten getempert. Anschließend wurde EA in 2-Methoxyethanol auf dem TiO₂ . abgeschieden Film bei einer Geschwindigkeit von 3000 U/min für 40 s unter Umgebungsbedingungen und dann bei 130 °C für 10 Minuten getempert. Dann wurden Al-(Aluminium-)Elektroden mit einer Dicke von 60 nm durch thermisches Verdampfen auf einem EA-Film abgeschieden. Die Kanalbreite der Lochmaske beträgt 2000 μm und die Kanallänge der Lochmaske 30 μm. Schließlich MAPbBr₃ Lösung wurde auf den EA-Film durch ein zweistufiges Verfahren schleuderbeschichtet, um den Herstellungsprozess zu vervollständigen. Im ersten Schritt wurde die Lösung 10 s lang mit einer Geschwindigkeit von 1000 U/min schleuderbeschichtet und dann 30 s lang mit einer Geschwindigkeit von 5000 U/min geschleudert. Im zweiten Schritt wurden 22 s vor dem Ende der Schleuderbeschichtung 50 μl Toluol auf das sich drehende Substrat getropft.

Charakterisierung

Keithley 4200 wurde verwendet, um die elektrischen Charakterisierungen unter Umgebungstemperatur bei Raumtemperatur zu messen. Als Weißlichtquelle wurde die Kaltlichtbeleuchtung XZ-150WA verwendet. Vor der Verwendung des weißen Lichts wurde die Intensität des Lichts mit einem Monosilizium-Detektor gemessen. Als Quelle für monochromatisches Licht wurde Newport Oriel 200 verwendet. SEM (Hitachi S-4800) wurde verwendet, um das Oberflächenbild und die Morphologie des Films zu charakterisieren. Das Spektralphotometer JASCO V-570 wurde verwendet, um die Absorptionsspektren aufzuzeichnen. Zur Aufzeichnung der UPS-Analyse wurde das Photoelektronenspektroskopiesystem KRATOS AXIS ULTRA DLD mit einer ungefilterten He I (21,22 eV) Gasentladungslampe verwendet. Rifaku D/MAX-2004 XRD mit Cu K Strahlung (\( \lambda =1,54178\ \mathrm{\AA} \)) wurde verwendet, um die Phasenidentifikation des Films zu untersuchen, der bei 60 mA und 40 kV arbeitet.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Perowskit/EA/TiO₂ Dreischicht-Photodetektor wurde entwickelt und hergestellt. Der Dunkelstrom wird in einer Dreischicht-Photodetektorvorrichtung aufgrund des gebildeten Heteroübergangs erheblich reduziert. Der EA-Film und das alkoholische TiO₂ Film wurden zur Herstellung von Perowskit/EA/TiO₂ . verwendet dreischichtiger Fotodetektor. Bei dieser Art von Design wird Licht im Perowskitfilm absorbiert und Photoelektronen in alkoholischem TiO₂ . transportiert Film, und EA ist verantwortlich für die Verringerung der Fehlanpassung der Energiebarriere und verbessert die Photoelektronenextraktion. Wenn Licht beleuchtet wird, werden Ladungsträger durch den Heteroübergang getrennt. Die Elektronen werden in die EA-Schicht übertragen und dann in alkoholisches TiO₂ . übertragen und transportiert , und die Löcher bleiben in der Perowskitschicht. Als Ergebnis wird die Rekombination der Ladungsträger unterdrückt und der Photostrom erhöht. Die Gesamtleistung des Dreischichtgeräts zeigt D * von 1,51 × 10 ¹² Jones, On-Off-Verhältnis von 2700, R von 0,13 A W ⁻¹ , Anstiegs- und Abklingzeit von 0,49/1,17 s und LDR von 68,6 dB. Die MAPbBr₃ /EA/TiO₂ Das Fotodetektorgerät zeigt eine sehr hohe Gesamtleistung im Vergleich zu Geräten auf Einkristallbasis und auf 2D-Material basierenden Geräten. Die Stabilität des dreischichtigen Bauelements in einer Umgebungsumgebung zeigt eine hohe Bedeutung in zukünftigen optoelektronischen Bauelementen. Eine modifizierte Grenzflächenschicht und Elektronentransportschicht können die Ladungsträgerrekombination signifikant unterdrücken und die Leistung von Perowskit-Photodetektorvorrichtungen verbessern. Dieser Ansatz könnte eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Geräteleistung durch Heterojunction-Modifikationen spielen.

Abkürzungen

EA:

Ethanolamin

EQE:

Externe Quanteneffizienz

LDR:

Linearer Dynamikbereich

PCBM:

Phenyl-C61-buttersäuremethylester

PMMA:

Polymethylmethacrylat

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

SNR:

Signal-Rausch-Verhältnis

USV:

UV-Photoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung