一种高性能混合型光电探测器的构筑方法及其调控策略技术

本发明专利技术属于纳米材料与器件领域，公开了一种高性能混合型光电探测器的构筑方法及其调控策略，并具体公开了一种基于全无机铅卤钙钛矿纳米晶的高性能混合型光电探测器，包括单层MoS2层以及CsPbX3(X＝Cl,Br,I)钙钛矿纳米晶层，单层MoS2层为2D材料，CsPbX3纳米晶层为0D材料，两者通过构筑范德华异质结进行复合。本发明专利技术通过对用于配合单层MoS2形成异质结的关键材料及其自身的特征因素所采用的不同工艺步骤进行探索与改进，实现了性能可调控/优化的混合型光电探测器。从本质上讲，这是由于钙钛矿纳米晶层的光俘获能力和光生载流子在0D钙钛矿纳米晶/2D单层MoS2异质结界面处的激子分离与电荷转移得到了有效的调控，从而直接对混合型光电探测器的光响应性能产生影响。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能混合型光电探测器的构筑方法及其调控策略
本专利技术属于纳米材料与器件领域，更具体地，涉及一种高性能混合型光电探测器的构筑方法及其调控策略，能够构筑得到一种基于全无机铅卤钙钛矿纳米晶的高性能混合型光电探测器，该器件利用不同维度的半导体纳米材料实现异质结的构筑，并且通过控制钙钛矿纳米晶的本身特性可实现性能的有效调制与优化，使器件获取优异的光电探测性能。
技术介绍
MoS2作为过渡金属硫族化物(TMDs)半导体材料的代表，具有较高的电子迁移率、极高的开关比，是很好的沟道材料；单层的硫化钼(即按S-Mo-S的形式排列的两层S原子和一层Mo原子)是直接带隙半导体，具有很高的量子效率。光电探测器可以把光信号转化成电信号，是重要的电子器件之一，广泛应用于军事和国民经济的各个领域。光电探测器以感光材料作为沟道，在两端搭建低阻抗的欧姆电极，形成通路就可以完成对光的响应。单层硫化钼作为二维半导体材料，具有极高的光响应和较宽的光谱探测范围。但是对单层硫化钼而言，由于其超薄的厚度和较窄的光谱吸收范围使其对光的吸收能力大大降低。如果增加材料的厚度，则暗电流会相应增加，导致晶体管对栅压不敏感。通过在二维材料表面进行修饰可以达到增加光吸收效率、拓宽光谱，而又不损失其他性能的目的。例如Chen等人通过在硫化钼光电晶体管表面旋涂石墨烯量子点(GQDs)，使器件的光响应度提高了四倍，缩短了响应时间；又如Huo等人用HgTe量子点修饰硫化钼光电晶体管并用TiO2封装，使光探测器的响应度达到106AW-1。钙钛矿作为一种新型半导体材料，具有很多优点，比如吸收系数高，吸收波段覆盖整个可见光波段，载流子迁移率高，载流子扩散距离长；带隙可调等。若是能够将其集成到硫化钼光电晶体管上，则可有效地弥补硫化钼光电探测器的不足。但由于全无机钙钛矿遇水和氧气容易发生分解，传统的将硫化钼转移到钙钛矿薄膜基底上的方式并不适用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种高性能混合型光电探测器的构筑方法及其调控策略，其中通过对构筑得到的基于全无机铅卤钙钛矿纳米晶的高性能混合型光电探测器中用于配合单层MoS2形成异质结的关键材料及其自身的特征因素以及相应制备方法所采用的不同工艺步骤进行探索与改进，实现了性能可调控/优化的混合型光电探测器。本专利技术通过控制混合型光电探测器中关键全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层其微观结构及组成，尤其通过控制钙钛矿纳米晶表面附着配体的具体种类及附着量、以及制备全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层所采用的CsPbX3纳米晶溶液的浓度及相应形成的全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层的厚度，即可实现器件性能调控策略；相应的，器件制备方法也可通过进一步控制所采用的纳米晶表面配体种类及含量、以及钙钛矿纳米晶的溶液浓度，实现了对混合型光电探测器光电性能的有效调控与优化。从本质上讲，这是由于钙钛矿纳米晶层的光俘获能力和光生载流子在0D钙钛矿纳米晶/2D单层MoS2异质结界面处的激子分离与电荷转移得到了有效的调控，从而直接对混合型光电探测器的光响应性能产生影响。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于全无机铅卤钙钛矿纳米晶的混合型光电探测器，其特征在于，该混合型光电探测器包括单层MoS2层以及位于该单层MoS2层上的全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层，所述单层MoS2层包括两层S原子和一层Mo原子，X为Cl、Br、I中的至少一种；其中，所述单层MoS2层为2D材料，所述全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层为0D材料，两者通过构筑范德华异质结，由此得到混合型光电探测器。作为本专利技术的进一步优选，所述全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层中的钙钛矿纳米晶的尺寸为5～20nm，所述钙钛矿纳米晶的表面还附着有配体；优选的，所述配体为油类物质，更优选为油酸和油胺。作为本专利技术的进一步优选，所述单层MoS2层的厚度为0.7nm。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了制备上述基于全无机钙钛矿纳米晶的混合型光电探测器的方法，其特征在于，该方法是先通过常压化学气相沉积法制备单层MoS2层，并通过配体辅助再沉淀法制备得到钙钛矿纳米晶，使钙钛矿纳米晶的表面附着有配体，再利用旋涂法将所述钙钛矿纳米晶均匀地覆盖在单层MoS2层上，干燥后形成全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层，由此得到混合型光电探测器。作为本专利技术的进一步优选，所述配体为油类物质，优选为油酸和油胺；所述通过配体辅助再沉淀法制备得到钙钛矿纳米晶，优选是通过将卤化铯CsX和卤化铅PbX2溶于二甲基甲酰胺溶液中形成CsPbX3纳米晶的前驱体溶液，并加入一定量的油类配体，再将该前驱体溶液滴入甲苯中，形成分散于甲苯中的CsPbX3纳米晶；然后，对所述分散于甲苯中的CsPbX3纳米晶采用乙腈进行高速离心，所得沉淀再次分散于甲苯中进行低速离心，最后所得上清液即为提纯后的CsPbX3纳米晶精细液。作为本专利技术的进一步优选，对于所述通过配体辅助再沉淀法制备得到钙钛矿纳米晶，所述配体与所述CsPbX3纳米晶的前驱体溶液两者的体积之比为3:40，所述配体的体积与所述CsPbX3纳米晶的前驱体溶液中对应含有的CsPbX3纳米晶的物质的量两者之比满足3mL：0.8mmol，所述配体中所述油酸和所述油胺优选是按2:1的体积比配比的；采用乙腈的离心净化处理为1～4次；优选的，采用乙腈的离心净化处理的次数为1次；任意一次采用乙腈的离心净化处理均是先将CsPbX3纳米晶分散于甲苯与乙腈按体积比3：1配比的混合溶液中，然后在11000rpm高速条件下进行离心处理5分钟，得到的沉淀即为处理后的CsPbX3纳米晶；所述提纯后的CsPbX3纳米晶精细液，具体是将所述采用乙腈离心净化处理得到的CsPbX3纳米晶分散于甲苯中，然后在5000rpm低速条件下进行离心处理3分钟，所得上清液即为CsPbX3纳米晶精细液。作为本专利技术的进一步优选，所述利用旋涂法将钙钛矿纳米晶均匀地覆盖在单层MoS2层上，具体是采用钙钛矿纳米晶浓度为5mg/mL～40mg/mL的CsPbX3纳米晶溶液，该CsPbX3纳米晶溶液中的溶剂为甲苯；优选的，所述CsPbX3纳米晶溶液的钙钛矿纳米晶浓度为5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL或40mg/mL，更优选为40mg/mL。作为本专利技术的进一步优选，所述通过常压化学气相沉积法制备单层MoS2层，具体是将硫粉和三氧化钼粉末分别放在两个石英舟中，利用能够通载气的多温区管式炉，将盛有硫粉的石英舟置于载气气流上游的位置，将盛有三氧化钼粉末的石英舟置于载气气流下游的位置，并且在所述三氧化钼粉末的正上方还倒扣设置有衬底；记所述盛有硫粉的石英舟所在位置为第一温区，记所述盛有三氧化钼粉末的石英舟所在位置为第二温区，接着，在持续通入载气的条件下，将所述第二温区升温至780℃至800℃，此时受所述第二温区热辐射的影响所述第一温区的温度不超过75℃，然后所述第一温区和所述第二温区同时升温，其中，所述第一温区在5分钟内升温至180℃然后结束加热，所述第二温区继续升温至850℃并在保温5分钟后结束加热，冷却后即可在所述衬底上得到沉积的MoS2层；所述载气为氩气。作为本专利技术的进一步优选，所述硫粉为100mg，所述三氧化钼粉末为10mg，通入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全无机铅卤钙钛矿纳米晶的混合型光电探测器，其特征在于，该混合型光电探测器包括单层MoS2层以及位于该单层MoS2层上的全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层，所述单层MoS2层包括两层S原子和一层Mo原子，X为Cl、Br、I中的至少一种；其中，所述单层MoS2层为2D材料，所述全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层为0D材料，两者通过构筑范德华异质结，由此得到混合型光电探测器。

【技术特征摘要】
1.一种基于全无机铅卤钙钛矿纳米晶的混合型光电探测器，其特征在于，该混合型光电探测器包括单层MoS2层以及位于该单层MoS2层上的全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层，所述单层MoS2层包括两层S原子和一层Mo原子，X为Cl、Br、I中的至少一种；其中，所述单层MoS2层为2D材料，所述全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层为0D材料，两者通过构筑范德华异质结，由此得到混合型光电探测器。2.如权利要求1所述基于全无机铅卤钙钛矿纳米晶的混合型光电探测器，其特征在于，所述全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层中的钙钛矿纳米晶的尺寸为5～20nm，所述钙钛矿纳米晶的表面还附着有配体；优选的，所述配体为油类物质，更优选为油酸和油胺。3.如权利要求1所述基于全无机铅卤钙钛矿纳米晶的混合型光电探测器，其特征在于，所述单层MoS2层的厚度为0.7nm。4.制备如权利要求1-3任意一项所述基于全无机铅卤钙钛矿纳米晶的混合型光电探测器的方法，其特征在于，该方法是先通过常压化学气相沉积法制备单层MoS2层，并通过配体辅助再沉淀法制备得到钙钛矿纳米晶，使钙钛矿纳米晶的表面附着有配体，再利用旋涂法将所述钙钛矿纳米晶均匀地覆盖在单层MoS2层上，干燥后形成全无机CsPbX3钙钛矿纳米晶层，由此得到混合型光电探测器。5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述配体为油类物质，优选为油酸和油胺；所述通过配体辅助再沉淀法制备得到钙钛矿纳米晶，优选是通过将卤化铯CsX和卤化铅PbX2溶于二甲基甲酰胺溶液中形成CsPbX3纳米晶的前驱体溶液，并加入一定量的油类配体，再将该前驱体溶液滴入甲苯中，形成分散于甲苯中的CsPbX3纳米晶；然后，对所述分散于甲苯中的CsPbX3纳米晶采用乙腈进行高速离心，所得沉淀再次分散于甲苯中进行低速离心，最后所得上清液即为提纯后的CsPbX3纳米晶精细液。6.如权利要求5所述方法，其特征在于，对于所述通过配体辅助再沉淀法制备得到钙钛矿纳米晶，所述配体与所述CsPbX3纳米晶的前驱体溶液两者的体积之比为3:40，所述配体的体积与所述CsPbX3纳米晶的前驱体溶液中对应含有的CsPbX3纳米晶的物质的量两者之比满足3mL：0.8mmol，所述配体中所述油酸和所述油胺优选是按2:1的体积比配比的；采用乙腈的离心净化处理为1～4次；优选的，采用乙腈的离心净化处理的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高义华，李露颖，沈少立，康喆，章楼文，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42