MAPbCl3單晶光電探測器的制備及表征

于 吉, 鄭 杰, 黃永濤, 屈艷梅

(沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034)

0 引 言

近年來,金屬-鹵化物鈣鈦礦成為光電探測領(lǐng)域的研究熱點,在太陽能電池、發(fā)光二極管、激光器、光電探測器和晶體管等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。它的應(yīng)用在很大程度上依賴于高質(zhì)量材料的生長,這些材料具有低陷阱密度、高載流子遷移率和長的載流子擴(kuò)散長度等優(yōu)點[3-4]。

目前,困擾鈣鈦礦基探測器的主要問題就是單晶的質(zhì)量和生長速率[5-7]。Dang等[8]使用底部籽晶法制備得到了1.2 cm×1.2 cm×0.8 cm的MAPbI3(CH3NH3PbI3)單晶。相對于緩慢蒸發(fā)法,底部籽晶法的生長質(zhì)量更高,并且控制更加精確。Dong等[9]使用頂部籽晶法同樣制備了大塊的MAPbI3單晶,其過程與底部籽晶法類似。反向升溫法也是目前研究人員使用較多的一種方法,是目前生長單晶最快的一種方法。Liu等[10]使用反向升溫法制備了質(zhì)量更高的MAPbCl3單晶。目前研究階段,有機(jī)—無機(jī)鈣鈦礦光電探測器的研究主要集中在MAPbI3和MAPbBr3[11-13],而MAPbCl3單晶相對研究較少。MAPbCl3單晶相對于其他2種甲胺基鉛鹵鈣鈦礦單晶制備更為容易,制備成本也相對低廉。因此,本文使用反向升溫法制備了MAPbCl3單晶,在其表面利用真空熱蒸發(fā)法蒸鍍上Au對稱叉指電極,制備成光電探測器件對其進(jìn)行表征。

1 實驗部分

1.1 MAPbCl3單晶的生長

在目前報道中,反向升溫法制備單晶時間快,生長得到的單晶質(zhì)量高,性能好[14],其主要是由于MAPbCl3材料在DMSO和DMF中特殊的逆溶解度,隨著溫度升高,溶解度降低。本文通過采用反向升溫法制備得到大塊MAPbCl3單晶。具體流程如下:

使用電子天平稱量22.248 g氯化鉛和5.4 g甲胺鹽酸鹽,溶解在DMSO和DMF各40 ml的混合溶液中。攪拌至澄清后放入結(jié)晶皿,在油浴鍋中升溫25～60 ℃,具體升溫過程如圖1所示。

圖1 升溫過程圖Fig.1 Heating process

1.2 MAPbCl3單晶光電探測器的制備

將生長出的MAPbCl3單晶用正己烷清洗,去除表面前驅(qū)體溶液殘留,保證單晶表面光滑平整。利用真空鍍膜機(jī)在單晶表面蒸鍍上Au的叉指電極。指間距為200 μm,指寬為50 μm。器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 器件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Device structure

2 結(jié)果與討論

2.1 MAPbCl3單晶的形貌結(jié)構(gòu)和性能表征

圖3為MAPbCl3單晶的光學(xué)照片和SEM電鏡照片,從圖3中可以觀測到,所制備的MAPbCl3單晶為8 mm×8 mm×3 mm立方晶體,表面光滑平整,沒有明顯孔洞,質(zhì)量良好。

圖3 (a) 單晶光學(xué)照片; (b) 單晶微觀形貌Fig.3 (a) Single crystal optical photo; (b) single crystal micro morphology

圖4為MAPbCl3單晶的吸收透射圖譜。在實驗中,采用紫外可見光分光光度計在光波長300～1 000 nm進(jìn)行表征。從圖4中可以看出,晶體在紫外光和紫光波段中都表現(xiàn)出了很強(qiáng)的吸收,光譜顯示出清晰的帶邊緣切邊,同時對波長大于吸收邊的光波段光線有較好的透過性,表明制備的晶體是高質(zhì)量的且具有較低的缺陷濃度,測得的吸收邊在430 nm左右,與之前文獻(xiàn)報道吻合。

圖4 吸收透射圖譜Fig.4 Absorption transmission spectrum

2.2 MAPbCl3單晶光電探測器的器件特性

為了評估所制造的器件在不同照明波長下的響應(yīng),使用氙燈作為入射光源,測量了器件入射光在300～600 nm不同電壓下的光響應(yīng)。從圖5中可以看出,該器件的響應(yīng)峰位于415 nm波長處,與上述吸收光譜吻合。隨著施加電壓從1 V逐漸升至5 V,該器件在415 nm的峰值響應(yīng)度從0.30 mA/W增大到了1.24 mA/W。

圖5 器件不同照明波長下的響應(yīng)度Fig.5 The responsivity of the device under different illumination wavelengths

外部量子效率可以用來表征探測器的轉(zhuǎn)換效率,通過以下公式可以得到該光電器件的外部量子效率:

(1)

如圖6所示,在5 V的偏壓下,在入射光波長為415 nm時,探測器外量子效率約為3.1%。

圖6 不同偏壓下的探測器的外量子

圖7為探測器在循環(huán)光照下的I-t圖。從圖中可以看出,在5 V偏壓下,器件的穩(wěn)定性較好。

圖7 探測器在循環(huán)光照下的I-t圖

3 結(jié) 論

利用反向升溫法制備了MAPbCl3單晶,對其微觀形貌和吸收透射能力進(jìn)行了分析。同時,使用真空熱蒸發(fā)法在單晶表面蒸鍍上Au的叉指電極,進(jìn)行了響應(yīng)度、外量子效率、I-t曲線的測試。研究結(jié)論如下:

1) 所制備的MAPbCl3單晶為8 mm×8 mm×3 mm立方晶體,表面光滑平整,沒有明顯孔洞,質(zhì)量良好。在紫光和紫外波段中都表現(xiàn)出了很強(qiáng)的吸收;

2) 隨著施加電壓從1 V逐漸升至5 V,該器件在415 nm的峰值響應(yīng)度從0.30 mA/W增大到了1.24 mA/W。在5 V的偏壓下,在入射光波長為415 nm時的探測器外量子效率約為3.1%。在循環(huán)光照下,器件的穩(wěn)定性較好。