全无机铅卤钙钛矿CsPbBr3异质结构的制备和光电性能研究

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近年来,全无机铅卤钙钛矿CsPbX3(X=Cl、Br、I)作为一种新兴的半导体材料获得了人们的广泛关注,它具有高的荧光量子产率、大的光吸收系数、长的载流子扩散长度和高的缺陷容忍度等优异特性。全无机铅卤钙钛矿已经被证实在高性能太阳能电池、光电探测、发光器件等领域具有广阔的应用前景。相比于其纯相,全无机铅卤钙钛矿异质结具有载流子输运可调性以及更优异的结构稳定性,可进一步提升光学和光电应用的性能。由于半导体异质结的品质直接决定了器件的性能,因此有必要开发简便高效的制备方法获得高品质全无机铅卤钙钛矿异质结。鉴于此,本论文提出了多种外延生长机制来可控制备高品质全无机铅卤钙钛矿CsPbBr3异质结,并研究了它们的光学和光电特性,实现了性能优异的光电探测器件。本论文取得以下研究成果:1.可控制备了PbSe@CsPbBr3核壳微米线异质结。通过化学气相沉积法制备了PbSe微米线,并进一步在PbSe微米线上异质外延形成了CsPbBr3壳层。外延生长机理研究表明,PbSe顶端的Pb金属颗粒可快速吸收生长气氛中的Cs、Br等原子从而迅速地在PbSe微米线顶端形成CsPbBr3块体,在吉布斯-托马斯效应的作用下,CsPbBr3块体可高效吸附周围的气相原子,从而造成CsPbBr3壳层自PbSe微米线顶端往底端的有序外延生长,外延取向符合PbSe的[100]晶向平行于CsPbBr3的[100]晶向。对PbSe@CsPbBr3异质结的光学研究显示,异质界面的形成会显著淬灭CsPbBr3的发光并减少其荧光寿命,这一现象可归因于界面处的能带弯曲造成光生电子和空穴分离作用。对PbSe@CsPbBr3核壳微米线的光电探测器性能研究表明,该异质结器件实现了优异的光电响应,对405 nm可见光的响应度(4.7×10~4 A/W)高于纯CsPbBr3器件(4.4×10~3 A/W),并且对红外光具有波长依赖的光电流极性变化。2.可控生长了一维CdS/CsPbBr3异质结。首先通过化学气相沉积法制备了CdS微米线,再在CdS微米线上气相生长CsPbBr3块体。理论计算研究表明在不同的外延取向关系下CdS/CsPbBr3界面均保持着II型能带对齐方式,这有利于CdS/CsPbBr3异质结中产生的光生电子和空穴朝向相反的方向分离。因此,基于该CdS/CsPbBr3一维异质结构建的光电探测器表现出优异的自供电光电探测性能(响应度可达24.5 m A/W)。3.利用范德华外延技术可控生长了二维Bi2O2Se纳米片/一维CsPbBr3纳米线混合维度异质结。在Bi2O2Se表面外延的CsPbBr3纳米线具有四重对称的外延取向。光学研究表明,Bi2O2Se/CsPbBr3异质界面的能带弯曲造成CsPbBr3中的光生电子容易转移并注入到Bi2O2Se中去,这导致了CsPbBr3的荧光淬灭效应。同时,研究发现Bi2O2Se可以对一维结构CsPbBr3中传播的波导荧光进行吸收。光电探测研究表明,由于有效的载流子分离效应和波导荧光吸收效应,Bi2O2Se/CsPbBr3异质界面的形成可以在CsPbBr3的吸收光谱波段有效地增强Bi2O2Se的光电流响应。4.利用自搭建的气相生长原位观测系统实现了CsPbBr3微米线在云母表面异质外延的生长动力学研究。通过对CsPbBr3微米线在云母衬底表面外延生长的形貌演化的实时监测,发现CsPbBr3微米线的两个端面作为生长前端具有相同的生长速率,且衬底表面和加热源之间的温度差ΔT会影响CsPbBr3微米线的生长速率。在热平衡条件下,CsPbBr3微米线的生长速率和其横向尺寸相关,即:较细的CsPbBr3微米线具有更快的生长速率。通过建立CsPbBr3微米线生长的动力学模型发现,CsPbBr3微米线表面的扩散传输气相原子路径是导致其尺寸依赖的生长速率的关键因素。除此之外,本工作中制备得到的CsPbBr3微米线表现出优异的光电探测性能。
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