光电探测器可以将光信号转化为电信号,在工业和科学研究领域具有广泛的应用基础。利用不同波段光之间相异的特性,光电探测器在环境污染检测、臭氧层空洞监测、安检、光通信、医疗诊断、火焰探测、红外夜视等领域已得到良好的应用。近年来,在用于制备光电探测器的材料中,新兴的有机无机复合钙钛矿CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)材料吸引了科研工作者们广泛的研究兴趣。复合钙钛矿材料带隙窄、吸收系数高、激子结合低、可以良好地探测紫外到近红外光波段;通过调节钙钛矿材料中的离子配比可以连续调节其能带位置,便于与不同的半导体材料形成能带匹配的结构;复合钙钛矿的扩散系数长、载流子迁移率高,能够有效地分离和传输载流子;良好的溶液加工性以及低温结晶性则有利于钙钛矿适应不同的制备方式,便于与不耐高温的材料结合。因此,充分地利用钙钛矿的优点设计出基于钙钛矿材料的复合结构以满足新的发展趋势(自驱动性、柔性和多功能性)具有非常重要的意义。本论文主要围绕有机无机复合钙钛矿材料设计并制备高性能的复合光电探测器,从而弥补钙钛矿材料存在的不足,拓宽钙钛矿光电探测器的应用范围。从载流子动力学(载流子的产生,分离,传输)的角度考虑,选择具备不同特性的材料与钙钛矿材料复合不仅能够提高光电探测器的基础性能(光响应度、比探测率、光谱响应范围、响应速度等),而且能够赋予单一组分钙钛矿光电探测器不具备的特性(自驱动性等),为基于钙钛矿材料的光电探测器未来能够应用于实际生活提供一种策略。基于动力学各个过程,设计并制备出一系列与钙钛矿材料相关的复合结构,开展与之相关的研究工作,并对其进行严谨地表征分析,结果总结如下:1、半导体对光谱的响应,首先是一个吸收光子产生载流子的过程。钙钛矿本身的性质限制了其对红外光的吸收,使得钙钛矿无法响应近红外光谱。通过将钙钛矿与窄带隙的硅(Si)材料复合可以拓宽钙钛矿的光谱响应范围。在这一过程中,引入TiO2减少Si和钙钛矿之间由于能量失配造成的复合。主要过程为:在商用Si晶片上通过原子层沉积(ALD)法沉积TiO2薄膜,随后在TiO2层上旋涂钙钛矿薄膜构成钙钛矿/Ti02/Si三层异质结结构。通过调控Ti02中间层的厚度来调节异质结中载流子转移和复合过程,减少Si和钙钛矿之间由于能量失配造成的复合,抑制暗电流,增强界面处载流子的分离和传输,使得复合光电探测器具备更高的性能和自驱动能力。在此基础上,最佳的复合光电探测器光谱响应范围可以拓宽到1150 nm,响应时间和比探测率则分别可以达到50 ms和6X 1012 jones。2、对于随后的载流子分离问题,通过与铁电材料SrTiO3(STO)复合,利用STO层在外部电场极化之后能够产生内建电场,促进STO/钙钛矿界面处能带弯曲,从而增强光生载流子地分离,提高自驱动光电探测器的性能。光电测试结果表明,器件的响应度和响应速度都受到极化电场方向的影响,并表现出很强的依赖性。合适的极化处理之后,器件各方面性能显著提高。在正向极化(+1.0 V)后,最优器件在白光下光电流和响应速度分别达到0.956 mA和0.1 s,在550 nm波长下响应度更是高达0.73 AW-1。这些性能参数远远高于极化前以及没有STO铁电层的器件。3、通过上文提到的工作可知,通过提高载流子的分离能力制备自驱动器件往往需要一个复杂的过程。为了使得制备过程简单化、减少制备步骤和界面复合,本项工作中将有机铁电材料P(VDF-TrFE)与钙钛矿混合形成类似于体异质结结构,从而提高钙钛矿材料的铁电性,产生更强的铁电场,进而有效地分离光生载流子。在合适的极化条件下,通过调节P(VDF-TrFE)的浓度,最佳参数的器件在650 nm光照下展现出高的响应度(20 mA W-1)、大的比探测率(1.4 ×1013 jones)以及快速的响应时间(92/193μs)。此外,由于制备过程中不需要高温,器件可以制备在柔性基底上。相应的器件在不同弯曲角度(0至180°)以及200次循环弯曲下均表现出优异的稳定性。4、对于分离后的传输问题,众所周知,一维(ID)材料可以直接作为载流子传输通道,纳米纤维阵列中较少的纳米线结则可以进一步减少界面复合。在这一工作中,通过与ZnO纳米线复合提高光生载流子的传输能力、减少载流子复合,进而缩短了响应时间、提高了响应度。ZnO纳米线由静电纺丝工艺结合高温退火制得,在刻蚀出沟道的ITO导电玻璃上,通过选用合适的接收装置以及控制静电纺丝的时间来调控ZnO纳米纤维的取向性以及密度。之后在ZnO纳米线上旋涂钙钛矿制得ZnO纳米线/钙钛矿薄膜复合结构并将之应用于光电探测器领域。优化后的ZnO纳米线/钙钛矿薄膜复合光电探测器光暗电流比和响应速度可分别高达2800和0.2 s,响应度和比探测率则分别可以达到0.1 A W-1和1013 jones。5、为了进一步提高钙钛矿光电探测器自驱动状态下的性能,在本论文最后的工作中,综合载流子分离或传输过程,通过O梯度掺杂CdS纳米棒阵列促使CdS内部形成由外往内径向的能带弯曲,并将之作为电子传输层应用于钙钛矿光电探测器中。当O梯度掺杂CdS与钙钛矿复合后,界面处内建能带弯曲的存在促进了载流子的分离和传输,同时阻碍了电子回流,减少了与钙钛矿中空穴的复合。这一实验中,制备方法简单,CdS通过水热以及空气退火便可制得。同时必须注意到,当O掺杂过量时,界面处CdS的导带位置会高于钙钛矿的导带位置形成电子传输势垒,反而会阻碍电子从钙钛矿向CdS的传输,导致电子在界面处的形成积累,增加电子空穴的复合使得器件性能降低。优化后的样品在700 nm波长光下,表现出大的响应度(0.48 A W-1)、高的比探测率(2.1 ×1013jones)以及快的响应速度(0.54/2.21 ms)。本论文将钙钛矿材料与具有不同特性的材料复合,构建不同类型的钙钛矿复合光电探测器来提高钙钛矿器件中载流子的产生、分离、传输能力,为之后能够设计制备出集高性能、宽光谱、自驱动、柔性、超长时间稳定性于一体的光电探测器提供了一点思路。