페로브스카이트는 우수한 물성과 간단한 제조공정으로 많은 관심을 받고 있다. 여기서 우리는 용액 처리 유/무기 하이브리드 페로브스카이트 CH3에 기반한 개선된 광검출기를 시연했습니다. NH3 PbI3−x Clx CsPbBr3으로 장식된 레이어 페로브스카이트 양자점. 채널3 NH3 PbI3−x Clx -CsPbBr3 광검출기는 가시광선 영역에서 작동되어 반응성이 높은 것으로 나타났습니다(R =0.39 A/W), 감지율(D* =5.43 × 10
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Jones), 캐리어 이동성(μp =172 cm
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그리고 μn =216 cm
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) 및 빠른 응답(상승 시간 121 μs 및 하강 시간 107 μs). 채널3 NH3 PbI3−x Clx -CsPbBr3 heterostructure는 미래의 고성능 광전자 장치에서 포괄적인 응용을 찾을 것으로 예상됩니다.
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배경
광신호를 전기적인 정보로 변환하는 광검출기(photodetector, PD)는 광이미지센서, 환경감시, 전기통신 및 원격탐사 기술 등 많은 분야에서 핵심적인 반도체 소자 중 하나이다.[1,2,3,4] ]. 광 다이오드, 포토컨덕터 및 포토 FET(전계 효과 트랜지스터)의 세 가지 종류의 장치가 일반적으로 광 신호를 감지하는 데 사용됩니다. 특히, photo-FET는 광다이오드 및 광전도체에 비해 높은 이득과 낮은 암전류의 균형을 유지하는 기능으로 인해 광검출기의 유망한 아키텍처로 간주됩니다.
photo-FET는 많은 그룹에서 광범위하게 탐구되었습니다[5,6,7,8,9,10,11]. 일반적으로 낮은 암전류를 얻기 위해서는 얇은 활성층이 바람직하며, 이는 공핍층으로 만들어지며 게이트 전극에서 인가되는 전기장에 의해 쉽게 조정될 수 있습니다. 그러나 활성층의 두께가 얇을수록 광흡수도가 낮아져 감도가 낮아진다. 따라서 포토 FET의 활성층을 형성하기 위한 재료는 높은 광전 변환 효율(PECE)을 가져야 합니다. 양자점(QD)[12], 탄소 나노튜브[13], 그래핀[14], 전이 금속 디칼코게나이드(TMDC)[15], 흑인[16], 유기 분자[17] 등과 같은 다양한 재료 , photo-FET의 높은 광학 성능을 위한 활성층으로 사용되었습니다. 지금까지 할로겐화물 페로브스카이트(halide perovskite)는 높은 광흡수율, 변환효율 및 용이한 제조방법으로 인해 고성능 광전자소자 개발을 위한 광활성 물질로 널리 사용되어 왔다. 최근에는 할로겐화물 페로브스카이트가 고성능 포토 FET에서도 발견되었습니다[18,19,20,21,22,23,24,25,26,27].
그러나 공핍층으로 PECE가 높은 물질(예:유무기 하이브리드 페로브스카이트)을 사용하더라도 광 흡수는 효율적인 게이트 제어를 위한 포토 FET의 실제 응용을 만족시킬 수 없습니다. 낮은 암전류로 높은 이득을 달성하는 문제를 해결하기 위해 플라즈몬 향상을 위해 고흡수 물질과 귀금속 나노입자를 도핑하는 것과 같은 많은 솔루션이 개발되었습니다. 그 중 활성층 위에 염료감응제층을 형성한 구조는 유망한 솔루션으로 제시되고 있다. 이 구조는 (감광제에서) 흡수와 (채널에서) 전하 수송을 분리할 수 있고 높은 광 흡수로 완전히 공핍된 얇은 채널 층의 작동을 허용합니다. 따라서, 강한 흡수 반도체는 고성능 포토-FET를 제조하는데 유리한 증감제이다. PbSe[28], PbS[29], CdSe[30]와 같은 양자점은 고유한 특성(높은 양자 수율 효율, 크기에 민감한 흡수 스펙트럼 등)으로 인해 많은 관심을 받았으며 다양한 고성능 광전자 장치.
최근에는 새로운 종류의 양자점, 즉 페로브스카이트 양자점이 성공적으로 개발되어 태양 전지[31], LED[32], 단일 광자 방사체[33]와 같은 다양한 분야에서 사용되었습니다. 광검출기, 페로브스카이트 QD, 즉 CsPbX3의 요구 사항 고려 (X =Cl, Br, I)도 광 흡수를 향상시키는 데 적합한 증감제입니다. 앞서 언급한 바와 같이, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 재료는 고성능 포토 FET에 대한 유망한 솔루션으로 입증되었습니다. 무기 페로브스카이트 양자점의 성능 지수를 고려하여 용액 처리된 CH3으로 구성된 전체 페로브스카이트 소자를 예상합니다. NH3 PbI3−x Clx 공핍층 및 CsPbBr3 QDs sensitizer layer는 반응성과 검출력에서 우수한 성능을 보일 것입니다. 우리가 아는 한, 이 합성 페로브스카이트 포토 FET는 이전에 완전히 탐구되지 않았습니다.
이 논문에서 CH3 NH3 PbI3-x Clx 페로브스카이트-CsPbBr3 QDs 하이브리드 광검출기(CCPD)는 용액 처리 전략으로 준비됩니다. 제작된 광검출기는 400 ~ 800 nm의 넓은 스펙트럼 범위, 높은 응답성(0.39A/W), 검출성(5.43 × 10
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Jones), 캐리어 이동성(μp =172 cm
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V
−1
s
−1
그리고 μn =216 cm
2
V
−1
s
−1
), 빠른 응답(상승 시간 121 μs 및 하강 시간 107 μs) 및 우수한 재현성. 솔루션 기반 CH3 NH3 PbI3−x Clx -CsPbBr3 이종 구조는 UV 가시광선 영역에서 고성능 광전자 소자를 위한 길을 열어줍니다.
자료 및 방법
기기 제작
먼저 기판에 상용 실리콘 웨이퍼(n
+
Si) 300nm 두께의 SiO2 층(Suzhou Crystal Silicon Electronic &Technology Co., Ltd), 활성층(유기-무기 하이브리드 페로브스카이트 CH3 NH3 PbI3−x Clx )는 스핀 코팅을 통해 증착된 후 필름을 수지하기 위해 90분 후-어닐링되었습니다. 이어서, 감광층 CsPbBr3 QDs를 1500 rpm으로 3회 층별로 스핀코팅하고 각 스핀코팅 후 핫플레이트에서 60°에서 15분간 건조하였다. 소스 및 드레인 전극은 채널 길이(L ) 0.1 mm 및 채널 너비(W ) 2.5 mm.
CH3 합성에 대한 세부 정보 NH3 PbI3−x Clx 페로브스카이트, CsPbBr3 제작 QD 및 기기 모델은 추가 파일 1에 있습니다.
결과 및 토론
도 1a에 도시된 바와 같이 광검출기는 게이트 전극, 실리콘 웨이퍼(n
+
Si) 300nm 두께의 SiO2 레이어(커패시턴스 C소 11.5nFcm
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), 활성층(1단계 스핀코팅액 처리로 제조된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 박막), 장식층(CsPbBr3 QD), 소스 및 드레인 전극(마스크를 통해 열 증발). 그림 1b는 장치의 단면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 설명합니다. SiO2의 두께 유전층은 300 nm, CH3 NH3 PbI3−x Clx 페로브스카이트 활성층은 약 102 nm이고 장식된 CsPbBr3 QDs 레이어 필름은 약 97 nm입니다. 다이어그램은 CH3 간의 인터페이스가 NH3 PbI3−x Clx 페로브스카이트 및 CsPbBr3 QD는 투명하고 중간층이 없어 최적화된 광전 특성을 나타냅니다. 앞서 언급했듯이 포토 FET에서 반도체 채널의 두께는 중요한 역할을 합니다. 첫째, 거동을 효과적으로 조정하려면 더 얇은 활성층이 필요합니다. 그러나 더 얇은 페로브스카이트 필름은 핀홀을 생성하는 경향이 있어 채널에서 불균일한 전도를 유발합니다. 한편, 얇은 활성층은 낮은 광자 흡수를 의미하기도 합니다. CH3의 최적화된 두께 NH3 PbI3−x Clx 우리 장치의 필름은 약 102 nm입니다. 더 얇은 페로브스카이트 장치에서 광물질 상호작용을 향상시키기 위해 97nm CsPbBr3 QD층, 강력한 흡수력으로 최적의 증감제를 준비합니다. CsPbBr3의 TEM 이미지 그림 1c에서 QD는 균일한 입자 크기와 직사각형 모양을 보여줍니다. 그림 1c의 삽입은 X선 회절(XRD) 피크를 보여줍니다. 피크는 TEM 결과와 일치하는 전형적인 입방 구조(JCPDS No. 54-0752)를 보여줍니다. 또한 CH3의 결정성을 조사하기 위해 NH3 PbI3−x Clx 필름, 유리 기판에 합성된 페로브스카이트 필름의 X선 회절(XRD) 스펙트럼 초크업. 그림 1d는 XRD 스펙트럼을 나타내며 14.2°, 28.6°, 31.02° 및 43.38°를 중심으로 하는 4개의 특성 피크가 각각 (110), (220), (310) 및 (330) 평면에 할당되어 다음을 나타냅니다. 할로겐화물 페로브스카이트 필름은 보고된 문헌[34,35,36,37,38]과 일치하는 높은 결정도를 가진 예상되는 사방정계 결정 구조를 가지고 있다고 밝혔습니다.