石墨烯和CH3NH3PbIxCl3-x光电探测器性能研究

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石墨烯是一种由碳原子呈二维蜂窝状排列的薄膜,具有良好的力学、热学、光学及电学特性。近年来,针对石墨烯的基础及应用研究受到各国科学家广泛关注,在光电探测、生物医学、储能显示等领域得到了深入的研究。尤其是机械剥离法制备的石墨烯薄膜,具有超高的载流子迁移率,使其在超快探测器上具有比硅、锗等传统半导体材料更好的应用潜力。然而,单层石墨烯光电耦合作用较弱,光子吸收效率低,限制了光电探测器响应度的提高。有机-无机杂化钙钛矿是一种新型的光电材料,在300-800nm波段具有较高的光子吸收率。因此,本论文分别制备了石墨烯薄膜及其有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbIxCl3-x复合结构的探测器,并研究其光电探测性能,主要研究内容如下:(1)分别通过机械剥离法及常压CVD法制备石墨烯薄膜及其光电器件,并研究其光电探测性能;(2)旋涂CH3NH3PbIxCl3-x钙钛矿材料,制备CH3NH3PbIxCl3-x/石墨烯复合结构光电探测器,并进行光电探测研究;(3)通过改变浓度获得不同厚度的CH3NH3PbIxCl3-x薄膜,并研究ZnO电子传输层、ODTS薄膜对CH3NH3PbIxCl3-x/石墨烯光电探测器件的性能影响。石墨烯应用在光电探测器的缺陷在于对光的吸收率少透过率高,光照产生光激子少,所以石墨烯光电探测器的光响应率低。但是石墨烯具有超高的电子迁移率,所以石墨烯光电探测器的响应时间迅速。CH3NH3PbIxCl3-x材料又恰恰具有高光吸收率。CH3NH3PbIxCl3-x和石墨烯光电探测器中CH3NH3PbIxCl3-x增加了对光的吸收,石墨烯的高电子迁移率迅速填补CH3NH3PbIxCl3-x光激子产生的空穴,所以CH3NH3PbIxCl3-x和石墨烯光电探测器的光响应率高。但是由于CH3NH3PbIxCl3-x的扩散距离长,所以CH3NH3PbIxCl3-x和石墨烯光电探测器的响应时间变长。基于以上两种探测器的对比,加入ZnO电子传输层,可以弥补CH3NH3PbIxCl3-x材料加入导致响应时间增强的缺陷,使光电探测器具有高的光响应率和较快的响应时间。本文通过对石墨烯及其与无机有机杂化钙钛矿复合机构光电探测器的研究,讨论了不同材料光电探测器的性能,进一步优化了石墨烯及钙钛矿薄膜的工艺参数,对石墨烯光电探测器的发展及有机-无机杂化钙钛矿材料在光电探测领域的应用具有重要的学术意义。
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