一种基于MXene电子传输层的近红外光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术属于光电探测器技术领域，公开了一种基于MXene电子传输层的近红外光电探测器制备方法，首先在ITO玻璃衬底上旋涂一层ZnO纳米颗粒薄膜和一定浓度的二维MXene(Ti3C2)作为电子传输层，随后旋涂一层光敏材料PbS量子点油墨，接下来旋涂一层EDT处理的PbS量子点(PbS

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene电子传输层的近红外光电探测器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种近红外光电探测器及其制备方法，尤其是涉及一种基于MXene电子传输层的自驱动近红外光电探测器的制备方法。

技术介绍

[0002]近红外光电探测器作为光电子器件的一个重要组成部分，被广泛应用在光通讯、遥感、热成像、红外医学成像等领域。许多窄带隙的半导体材料被开发用作近红外光电探测器的传感材料，例如：InGaAs、HgCdTe等。然而，这些传统半导体材料的制备工艺复杂且成本高昂，同时器件需要在低温条件下工作才能实现优异的探测性能。与传统的近红外半导体相比，溶液加工的PbS量子点具有制造成本低、低温加工过程、可与柔性基底相兼容等优点，因而作为下一代近红外光电探测器领域中非常有前景的传感材料而被广泛研究。根据传感机制的不同，光电探测器主要分为光电导型和光伏型。光电导型光电探测器具有器件结构多为横向平面结构，具有制备工艺简单等方面的优点，但是该类型器件性能的可调控因素单一、且器件的性能极大程度的受金属与半导体接触、传感材料的光电性质等方面的影响。与之相比，光伏型光电探测器的器件结构多为纵向垂直结构，具有响应速度快、自驱动(在0V偏压条件下工作)、界面处能带可调等优点而受到广泛关注。
[0003]在光伏型光电探测器中，各功能层界面处的能量偏移决定了器件电荷的提取和空穴的传输，因而电子传输层作为器件的一个重要组成部分很大程度上影响着器件的光电性能。具体而言，电子传输过程发生在电子传输层和光敏传感材料之间的界面处，因而对电子传输层的研究显得极为重要。到目前为止，许多金属氧化物(例如：ZnO、TiO2、SnO2等)作为电子传输层被广泛应用在太阳能电池和光伏型光电探测器等领域中。在这些材料中，低温溶液加工的ZnO，由于其合适的带隙、低廉的制造成本、优良的稳定性等优点，因而被广泛应用在光伏型光电探测器的研究中。但是低温加工过程容易导致电子传输层中产生缺陷，从而影响器件的光电性能。
[0004]二维MXene(Ti3C2)是一种新型的层状过度金属碳化物，可以通过剥离MAX相获得，其化学式可以表述为：M
n+1
X
n
T
x
，其中：M代表前期过度金属，X代表碳，T代表表面官能团(主要是
–
O、
–
OH、
–
F)，n＝1
–
3。溶液相的MXene(Ti3C2)分散膜具有高的电导率，其丰富的表面化学性质、快速的电荷传输能力、功函数可调等性质使得其应用在各种光电器件领域中，例如：将MXene与TiO2复合以及将MXene加入SnO2中作为电子传输层提升太阳能电池的光电性能，将MXene作为接触电极材料应用于双电层场效应晶体管中、将MXene作为异质结材料与GaN复合应用在紫外光电探测器中。然而，关于将MXene(Ti3C2)与ZnO复合作为电子传输层，应用在近红外光电探测器领域并提升器件的光电性能方面的工作未见报道。因此，本专利技术对基于MXene(Ti3C2)电子传输层的高性能近红外光电探测器的制备与研究提供了技术支撑和指导。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于MXene电子传输层的近红外光电探测器及其制备方法的解决方案，实现器件光电性能的增强，特别是实现自驱动近红外光电探测性能的提升。器件的制备方法如下：首先在清洗干净的ITO玻璃衬底上旋转涂布一层ZnO纳米颗粒薄膜和一定浓度的二维MXene(Ti3C2)作为电子传输层；随后在电子传输层上旋涂一层PbS量子点油墨作为光敏活性层，并在70℃条件下退火10min；接下来在光敏活性层上旋涂油酸包覆的PbS量子点，随后利用乙二硫醇(EDT)和乙腈先后进行配体交换处理油酸包覆的PbS量子点得PbS
‑
EDT薄膜层作为空穴传输层；最后利用金属掩膜在空穴传输层上沉积金属电极层。通过设计制备一种二维MXene与ZnO构成的复合结构作为电子传输层，利用MXene对电子传输层能级可调控的特点，实现光敏传感材料与电子传输层之间界面处能级更好匹配，提升界面处载流子传输效率，从而增强器件的光电性能。
[0006]根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一种基于MXene电子传输层的近红外光电探测器器件，包括基底、各功能层和光敏传感材料。所述光电探测器由下至上依次包括玻璃基底、ITO薄膜层、氧化锌纳米颗粒薄膜与MXene复合结构形成的电子传输层、PbS量子点油墨光敏活性层、PbS
‑
EDT空穴传输层、金属电极层，所述ITO薄膜层层叠于所述玻璃基底表面形成ITO玻璃衬底，其中ITO薄膜层和金属电极层分别作为器件的底端和顶端的电极层；
[0007]优选的，所述MXene为溶液浓度为0
‑
0.1mg/mL的水溶液；ZnO纳米颗粒薄膜的厚度为10
‑
200nm，100nm厚度的ZnO薄膜为最优厚度。
[0008]优选的，所述PbS量子点油墨光敏活性层层叠于电子传输层表面，厚度为20～1000nm。
[0009]优选的，所述空穴传输层PbS
‑
EDT薄膜厚度为10～100nm。
[0010]优选的，所述衬底ITO玻璃可以换成ITO/PET或者ITO/PDMS等柔性基底，ITO薄膜层的厚度为10
‑
500nm；
[0011]优选的，所述顶端金属电极层的材料为Au、Ag、Al、Cu或Pt之一，厚度为10～500nm。
[0012]根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提供了一种基于MXene电子传输层的近红外光电探测器器件的制备方法，依次包括步骤：
[0013]一、在清洗干净的ITO玻璃衬底上旋转涂布一层ZnO纳米颗粒薄膜和一定浓度的二维MXene(Ti3C2)作为电子传输层；
[0014]二、在电子传输层上旋涂一层PbS量子点油墨作为光敏活性层，并在70℃条件下退火10min；
[0015]三、在光敏活性层上旋涂油酸包覆的PbS量子点，然后先后利用EDT和乙腈溶液进行配体交换得PbS
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EDT薄膜层作为空穴传输层；
[0016]四、利用金属掩膜在空穴传输层上沉积金属电极层。
[0017]优选的，所述二维MXene制备方法如下：首先将1g的LiF加入20mL的HCl溶液(浓度为6M)中搅拌直至完全溶解；随后，将1g的Ti3AlC2粉末加入LiF/HCl混合溶液中，为了避免因为温度升高导致混合液溢出，该过程需要利用冰浴，以便吸收反应过程中产生的多余热量。控制溶液温度在室温条件下搅拌24h后，利用HCl溶液清洗多余的LiF，随后用去离子水冲洗至溶液上部的PH值接近6
‑
7。接下来对溶液进行超声和离心各处理10min，所得的上层清液经过冻干处理得到MXene，保存于干燥的惰性气氛环境下。在后续器件制备过程中，取适量
MXene溶解到去离子水中，超声分散得到所需浓度的二维MXene。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近红外光电探测器器件，其特征在于：所述光电探测器由下至上依次包括玻璃基底、ITO薄膜层、氧化锌纳米颗粒薄膜与MXene复合结构形成的电子传输层、PbS量子点油墨光敏活性层、PbS
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EDT空穴传输层、金属电极层，所述ITO薄膜层层叠于所述玻璃基底表面形成ITO玻璃衬底，其中ITO薄膜层和金属电极层分别作为器件的底端和顶端的电极层；所述MXene为浓度为0
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0.1mg/mL的水溶液；ZnO纳米颗粒薄膜的厚度为10
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200nm。2.根据权利要求1所述的近红外光电探测器器件，其特征在于：所述PbS量子点油墨光敏活性层层叠于电子传输层表面，厚度为20～1000nm。3.根据权利要求1所述的近红外光电探测器器件，其特征在于：所述空穴传输层PbS
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EDT薄膜厚度为10～100nm。4.根据权利要求1所述的近红外光电探测器器件，其特征在于：所述衬底ITO玻璃可以换成ITO/PET或者ITO/PDMS，ITO薄膜层的厚度为10
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500nm。5.根据权利要求1所述的近红外光电探测器器件，其特征在于：所述顶端金属电极层的材料为Au、Ag、Al、Cu或Pt之一，厚度为10～500nm。6.一种权利要求1所述的光电探测器器件的制备方法，依次包括步骤：一、在清洗干净的ITO玻璃衬底上旋转涂布一层ZnO纳米颗粒薄膜和...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭明发，李睿，李悦悦，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：