[发明专利]一种基于表面等离激元共振的二维层状钙钛矿光电探测器及其制作方法

说明书

本发明涉及二维层状钙钛矿光电探测器的制作领域，一种基于表面等离激元共振的二维层状钙钛矿光电探测器，由阳极层、空穴传输层、金属纳米颗粒层、活性层、电子传输层、空穴阻挡层、阴极层组成，阳极层为铟锡氧化物ITO，空穴传输层为厚度为30±0.2纳米的PEDOT:PSS，金属纳米颗粒层为二氧化硅包覆的金银合金纳米三角盒，活性层为厚度为56±0.2纳米的(PEA)₂(MA)₂Pb₃I₁₀，电子传输层为厚度为PCBM层，空穴阻挡层为PFN层，阴极层为银。本发明还涉及该二维层状钙钛矿光电探测器的制作方法。

技术领域

本发明涉及二维层状钙钛矿光电探测器的制作领域，具体是一种掺入二氧化硅包覆的金属纳米颗粒的二维层状钙钛矿光电探测器及其制作方法。

背景技术

光电探测器是一种将光信号转变为电信号的器件，在多个领域具有广泛的应用受到了关注。近年来人们对基于三维钙钛矿材料的光电探测器已经开展了大量研究，但由于三维钙钛矿材料本身的不稳定性，在大气潮湿环境中钙钛矿光电探测器的性能很容易退化，因此极大限制了其应用。而二维钙钛矿结构由于加入了疏水的有机官能团作阳离子可视为对“钙钛矿层”进行了纳米尺度的封装以阻止水分子的渗入，因此二维钙钛矿材料较传统三维钙钛矿有着良好的稳定性。 另外，由于其特殊的层状结构，通过简单的一步溶液合成法即可获得高质量的薄膜，这是二维钙钛矿材料区别于三维钙钛矿的另一个优势。随着微观钙钛矿层数及有机官能团的不同，二维钙钛矿材料的许多物理性质（如带隙、激子的吸收、发射等）也随之不同，因此二维钙钛矿材料具有高度可调性，在光电器件中有着广泛的应用。

目前，对二维层状钙钛矿材料的应用主要集中在发光、太阳电池领域，而基于二维层状钙钛矿材料的光电探测器报道较少。 2016 年，同济大学黄佳团队制备了基于二维层状钙钛矿材料(C₄H₉NH₃) ₂(MA_)n-1M_nX_3n+1（n = 1， 2， 3）的光电探测器， 由于不同的 n 值对应不同的带隙，因此可以探测不同波段的光信号。 通过性能表征发现n = 3 的器件在光电流、响应率、明暗电流比及响应时间方面均优于 n = 1， 2 的器件。同年，北京大学刘忠范彭海琳团队合成了单晶二维层状钙钛矿(C₄H₉NH₃) ₂PbBr₄纳米厚薄片，并制备了基于单个单晶薄片的光电探测器， 其中用石墨烯作为叉指电极， 获得了~2100 A/W 的响应率、 ~10^-10A 的暗电流及~10³ 的明暗电流比。2017 年，中科院福建物质结构研究所的罗军华孙志华团队研究了二维层状钙钛矿(C₄H₉NH₃)₂(CH₃NH₃)₂Pb₃Br₁₀的铁电性质及其单晶光电探测器中的性能，获得了极低的暗电流（~10^-12A）、大的明暗电流比（~2.5×10³）、超快的响应速度（~150μs）。 上述研究工作显示了二维钙钛矿材料在光电探测方面的应用潜力， 但其中仍存在很多不足。例如，响应率偏低，黄佳团队制备的二维钙钛矿探测器在偏压为 30 V、功率为3.0 mW/cm² 的白光照射下， n = 1， 2， 3 对应的响应率分别为 3.00， 7.31 和 12.78mA/W，远远低于三维钙钛矿器件的数值。原因在于二维层状钙钛矿材料的带隙大于三维钙钛矿，因此其吸收的光波段比三维钙钛矿的要窄，另外，二维钙钛矿中的有机阳离子（(A)₂(MA)_n-1M_nX_3n+1 中的 A 单元）阻碍了电荷传输， 因此器件的光响应率偏低。后两个工作报道的光电探测器具有优异的性能，但它们都是基于单晶二维钙钛矿材料的，制备工艺比较复杂。 因此，研制一种制备方法简单、性能优异的二维钙钛矿探测器很有必要。