一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器及制备方法技术

本发明专利技术属于半导体光电探测技术领域，具体涉及一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器及制备方法。其结构由双面抛光的Al2O3衬底、n型宽带隙电子传输层、Cs2AgBiBr6光吸收层和接触电极构成。本发明专利技术一方面克服了传统钙钛矿结构的不稳定性和铅毒性等不利因素，另一方面借助宽带隙电子传输层和Cs2AgBiBr6光吸收层间的能带匹配实现光生载流子的快速分离和传输，同时亦可将器件的光探测范围从可见光扩展到深紫外区域。该器件制备方法简单易行、环境友好，所制备的光电探测器具有高的探测率和响应速度，有非常重要的应用价值。

A deep ultraviolet detector based on lead-free Double Perovskite Thin Film and its preparation method

The invention belongs to the technical field of semiconductor photoelectric detection, in particular to a deep ultraviolet Photodetector Based on lead-free double perovskite film and a preparation method thereof. The structure consists of a double-sided polished Al2O3 substrate, an n-type wide-band gap electron transport layer, a Cs2AgBiBr6 optical absorption layer and a contact electrode. On the one hand, the invention overcomes the disadvantages of instability of traditional perovskite structure and lead toxicity, on the other hand, it achieves fast separation and transmission of photogenerated carriers by means of band matching between broadband gap electron transport layer and CS2AgBiBr6 optical absorption layer, and at the same time, it also extends the optical detection range of the device from visible light to deep ultraviolet light region. Domain. The device is easy to fabricate, environmentally friendly, and the photoelectric detector has high detection rate and response speed. It has very important application value.

【技术实现步骤摘要】
一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器及制备方法
本专利技术属于半导体光电探测
，具体涉及一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器及其制备方法。
技术介绍
金属卤化物钙钛矿，其通式为ABX3，其中A为甲铵(MA)，甲脒(FA)或Cs，B为Pb或Sn等，X为Cl，Br或I。近年来，基于卤化铅钙钛矿材料的全新太阳能电池引起了人们的广泛关注，且在短期内已经展现出大于22％的高转换效率，这主要得益于该材料较大的光吸收系数、较高的载流子传输速率、制备工艺简单以及其带宽在可见光区连续可调等优良特性。伴随着人们对该材料的进一步认识，基于钙钛矿的研究领域已经开始扩展，其在光电探测和发光领域的潜在应用已成为目前的研究热点。目前，已报道的钙钛矿基光电探测器主要是以有机-无机杂化的钙钛矿材料体系(CH3NH3PbX3，X＝Cl/Br/I)为主，但是该型材料的广泛应用面临两个主要的挑战：结构的不稳定性和铅元素的毒性。而且，在长时间暴露在光线以及高温、高湿环境下易于分解。因此，基于CH3NH3PbX3材料的光电探测器在未来应用上一直存在瓶颈，因此人们开始将目光转向无铅钙钛矿体系材料的开发和器件组装等方面。双钙钛矿结构指的是通过两种不同的金属元素对Pb元素进行取代，从而合成由不同八面体结构交替排列而成的双钙钛矿材料。经计算研究，元素周期表中其它金属取代Pb有可能会破坏卤化铅钙钛矿的理想光电性能，但是在Cs2AgBiBr6钙钛矿中，Bi3+阳离子具有与Pb2+相同的电子结构，这种双钙钛矿结构在可见光内具有带隙可调的性质，且具有较长的载流子寿命和优异的结构稳定性，展现出良好的光电探测应用前景(C.C.Wu,Q.H.Zhang,Y.Liu,W.Luo,X.Guo,Z.Huang,H.Ting,W.H.Sun,X.R.Zhong,S.Y.Wei,S.F.Wang,Z.J.Chen,andL.X.Xiao,Adv.Sci.1700759(2017)；W.C.Pan,H.D.Wu,J.J.Luo,Z.Z.Deng,C.Ge,C.Chen,X.W.Jiang,W.J.Yin,G.D.Niu,L.J.Zhu,L.X.Yin,Y.Zhao,Q.G.Xie,X.X.Ke,M.Sui,andJ.Tang,Nat.Photon.11,726(2017))。高性能深紫外光电探测器在许多领域都有重要的应用，比如导弹预警、医学消毒和生物分析等。这种无铅双钙钛矿结构具有～2.2eV的光学带隙，如果能够将其与其它宽带隙半导体材料相结合来构筑异质结型探测器，可将光探测范围从可见光扩展到深紫外区域，具有非常重要的科学意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有钙钛矿结构的不稳定性和铅毒性的不足，提出一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器及制备方法，能够将探测范围从可见光扩展到深紫外区域。本专利技术的技术方案是以下述方式实现的：一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器，包括衬底，衬底上设有n型的电子提供层、Cs2AgBiBr6光吸收层、In接触电极和Ag接触电极。所述衬底为双面抛光的的Al2O3衬底，衬底的厚度为300～400微米。n型的电子提供层为GaN或ZnO半导体材料，其厚度为1.0～1.5微米，n型的电子提供层的电子浓度为2.0×1017～6.0×1017cm-3。Cs2AgBiBr6光吸收层3的厚度为350～500纳米。一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器的制备方法，是按照下述步骤进行的：(1)清洗衬底1；(2)在衬底1上沉积致密均匀的n型电子传输层；(3)配制CsBr、BiBr3和AgBr的前驱体溶液；(4)将前驱体溶液采用旋涂技术在n型电子传输层上制备Cs2AgBiBr6光吸收层；(5)采用热蒸发法在n型电子传输层和Cs2AgBiBr6光吸收层上沉积n型的电子提供层。所述步骤(2)中n型电子传输层可采用溅射法或MOCVD法制备。所述步骤(3)中前驱体溶液的浓度为0.5摩尔每升。前驱体溶液的旋涂条件为低速500转每分钟/5秒，高速2000转每分钟/30秒；旋涂结束后，将旋涂后的样品放在真空箱中静置；然后将样品放入管式炉中进行退火处理。所述退火处理是在管式炉中进行285℃退火处理，退火氛围为空气，退火时间为5分钟。本专利技术利用简单的溶液相方法，在低温环境下制备无铅的Cs2AgBiBr6钙钛矿薄膜，克服了传统钙钛矿结构的不稳定性和铅毒性等不利因素；借助宽带隙电子传输层和Cs2AgBiBr6薄膜的能带匹配提升器件的探测率和响应速度，并将器件的光探测范围从可见光扩展到深紫外区域。该器件制备工艺简单、环境友好、性能优良，在紫外光探测领域有非常重要的应用价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术所述的基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器的结构示意图。图2为实施例1中Cs2AgBiBr6薄膜的扫描电子显微镜照片。图3为实施例2中Cs2AgBiBr6薄膜的扫描电子显微镜照片。图4为实施例2中GaN/Cs2AgBiBr6异质结光探测器在暗态、光照环境下电流随电压的变化曲线。图5为实施例2中GaN/Cs2AgBiBr6异质结光探测器在265纳米的固定光照强度下，电流随时间的变化曲线。图6为实施例2中GaN/Cs2AgBiBr6异质结光探测器的响应速度测试结果。图中部件名称：1.衬底，2.n型的电子提供层，3.Cs2AgBiBr6光吸收层，4.In接触电极，5.Ag接触电极。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术利用Cs2AgBiBr6薄膜的环境友好和结构稳定特性，并通过合理调控Cs2AgBiBr6薄膜与n型宽带隙电子传输层的能带匹配，最终实现高探测率、高响应速度的深紫外无铅钙钛矿光探测器的制备。实施例1：(1)清洗衬底1，所采用的衬底为双面抛光的Al2O3衬底。采用双抛的Al2O3单晶片作为衬底1，将其进行化学清洗，清洗步骤为：将衬底放于丙酮和乙醇溶液中各超声清洗5分钟，再循环一次；之后用去离子水反复冲洗干净后，经高纯氮气吹干后备用。(2)制备n型的电子提供层2。采用射频磁控溅射在双抛的Al2O3衬底1上完成ZnO电子提供层的沉积，具体步骤为：安装ZnO:Al2O3(质量分数：Al2O3:ZnO＝1.2:98.8％)陶瓷靶材，将靶材与基片间的距离调至10厘米；开启机械泵，对腔体进行抽真空，当腔体真空度低于10帕斯卡后，开启分子泵继续抽真空，直至腔体真空度低于2.0×10-3帕斯卡；向腔体中通入高纯氩气作为工作气体，气体流量设置为30sccm；开启射频源，将其功率设定为270瓦，并将衬底温度设定为350℃，溅射时间设定为2.5小时。所获得n型ZnO电子提供层的厚度为1.05微米，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器，包括衬底(1)，其特征在于：衬底(1)上设有n型的电子提供层(2)、Cs2AgBiBr6光吸收层(3)、In接触电极(4)和Ag接触电极(5)。

【技术特征摘要】
1.一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器，包括衬底(1)，其特征在于：衬底(1)上设有n型的电子提供层(2)、Cs2AgBiBr6光吸收层(3)、In接触电极(4)和Ag接触电极(5)。2.根据权利要求1所述的基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器，其特征在于：所述衬底(1)为双面抛光的的Al2O3衬底，衬底的厚度为300～400微米。3.根据权利要求1所述的基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器，其特征在于：n型的电子提供层(2)为GaN或ZnO半导体材料，其厚度为1.0～1.5微米，n型的电子提供层(2)的电子浓度为2.0×1017～6.0×1017cm-3。4.根据权利要求1所述的基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器，其特征在于：Cs2AgBiBr6光吸收层(3)的厚度为350～500纳米。5.一种基于无铅双钙钛矿薄膜的深紫外光探测器的制备方法，其特征在于是按照下述步骤进行的：(1)清洗衬底(1)；(2)在衬底(1)上沉积致密均匀的n型电子传输层(2)；(3)配制CsBr、BiBr3和AgBr的前驱体溶液；(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：史志锋，李营，雷玲芝，马壮壮，陈磊磊，李新建，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41