二维杂化钙钛矿CH3NH3PbX3生长及光电性能研究

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近年来,有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)(以下简称MAPbX3,MA=CH3NH3+)因其高载流子迁移率、低缺陷密度以及带隙和结构可调等良好的光电特性而得到广泛关注。当杂化钙钛矿晶体的厚度减小到原子尺度时,局限在二维材料内部的电子会受到强烈的量子束缚效应,表现出独特的光学、电学、力学等物性特征,此外,二维杂化钙钛矿能够弥补传统二维材料光电效率较低的不足,因此成为了开发新型光电器件理想的材料之一。但是由于杂化钙钛矿固有的非层结构,在二维层面上合成大尺寸、原子级厚度的二维杂化钙钛矿MAPbX3薄膜具有一定的难度。为此,本文开发出一种低成本并且高效的制备方法,来获得大尺寸、超薄的二维杂化钙钛矿MAPbX3,并且深入研究了其生长习性和光电性能。主要研究成果如下:(1)针对二维杂化钙钛矿晶体结构和制备面临的一系列问题,本文开发出的二维杂化钙钛矿液体外延成型生长方法,通过物理和化学相结合的方式,制备出的二维杂化钙钛矿MAPbX3厚度小于10nm,横向尺寸为数百平方微米。(2)对二维杂化钙钛矿MAPbX3的生长驱动力进行了探究,通过对比试验排除了范德瓦尔斯力作为生长驱动力的猜想;通过密度泛函理论(DFT)计算和X射线光电子能谱(XPS)测试,发现云母上的钾(K)与杂化钙钛矿中的卤素的强相互作用可能是二维杂化钙钛矿生长的驱动力。(3)二维杂化钙钛矿MAPbX3表征发现其结晶质量良好、表面拥有原子级平整度,光致发光性能优良且发射强度分布均匀,荧光寿命快速部分为6ns慢部分为50ns。与块状杂化钙钛矿相比,光致发光波长和光学吸收边均呈现蓝移现象,研究认为厚度减薄导致的带隙增加和界面上钾原子陷阱状态是造成发射波长蓝移的主要原因。(4)制作二维杂化钙钛矿MAPbX3光电探测器并封装,测试器件光电性能。结果表明二维杂化钙钛矿光电器件暗电流约为10-12A,光响应性达到了126A/W,载流子迁移率为36.5cm2V-1S-1,器件的开/关电流比可达104,时间分辨响应的上升时间和衰减时间分别为5和4.1μs,光电探测器最大-3d B带宽可达到80k Hz,所以,其性能优良具有制备实用光电器件的潜力。
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