一种基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜及其制备方法和应用，涉及钙钛矿光电探测器技术领域。其制备方法包括以下步骤：在预处理基材表面利用垂直偏振的飞秒激光双脉冲诱导加工出表面周期性结构；滴加钙钛矿前驱体溶液，盖上PDMS衬底并轻压，加热；利用垂直偏振的飞秒激光双脉冲诱导加工出表面周期性结构，制得基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜。采用本发明专利技术的钙钛矿单晶薄膜制备的光电器件不仅拥有更加优异的光电性能，而且工艺简单，成本低，本发明专利技术解决了现有钙钛矿薄膜光吸收效果差、量子效率和响应度低的问题。响应度低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及钙钛矿光电探测器
，具体涉及一种基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，有机
‑
无机杂化钙钛矿受到了广泛的关注，它具有光吸收系数高、吸光范围广、载流子扩散长度长和带隙可调等优点，由于这些独特的光电特性，钙钛矿广泛应用于光电探测、发光二极管、激光器和太阳能电池等领域。常用的有机
‑
无机杂化钙钛矿材料的化学式为ABX3，其中A是指单价有机阳离子，如甲胺阳离子(CH3NH
3+
)、甲眯阳离子(H2CH＝NH
+
)和乙胺阳离子(CH3CH2NH
3+
)等，B是指无机金属阳离子，如铅离子(Pb
2+
)和锡离子(Sn
2+
)等，X是指卤素阴离子，如氯离子(Cl
‑
)、溴离子(Br
‑
)和碘离子(I
‑
)等。
[0003]作为光电器件的吸收层，钙钛矿的质量往往决定着光电器件的性能。钙钛矿薄膜分为单晶薄膜和多晶薄膜，尽管钙钛矿多晶薄膜是目前主流的光电器件的吸收层，但其与钙钛矿单晶相比，具有高于至少四个数量级的缺陷密度。然而，由于较高的成核能垒，钙钛矿单晶难以在光滑的基底表面均匀生长并且其厚度难以控制，随着制备工艺的不断优化与发展，目前已经能制备出几微米厚度的钙钛矿单晶薄膜，未来钙钛矿单晶薄膜在光电器件领域具有很大的潜力。然而，在钙钛矿光电探测器中，大约有14％的入射光会被钙钛矿表面反射出去，一定程度上限制了其量子效率和响应度。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜及其制备方法和应用，以解决现有钙钛矿薄膜光吸收效果差、量子效率和响应度低的问题。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)在预处理基材表面利用垂直偏振的飞秒激光双脉冲诱导加工出表面周期性结构，制得加工后基底；
[0007](2)在步骤(1)制得的加工后基底上滴加钙钛矿前驱体溶液，盖上PDMS衬底并轻压，加热，制得钙钛矿单晶；
[0008](3)在步骤(2)制得的钙钛矿单晶表面，利用垂直偏振的飞秒激光双脉冲诱导加工出表面周期性结构，制得基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜。
[0009]本专利技术的有益效果为：在钙钛矿光电探测器中，大约有14％的入射光会被钙钛矿表面反射出去，一定程度上限制了其量子效率和响应度。加工微纳结构可以延长光程，将入射光子耦合到钙钛矿活性层中，在光活性层内产生驻波，增强光的吸收，同时，还可以减小局部载流子的扩散长度，增大与传输层的接触面积，增强光生载流子收集，飞秒激光具有加工精度高、热效应小、加工灵活性和材料适应性强等特点，利用飞秒激光在钙钛矿单晶表面诱导周期性微纳结构，可至少减少5％的表面反射率，并且成本低，工艺简单，在光电探测领
域具有无可比拟的优势。
[0010]本专利技术采用垂直偏振的飞秒激光双脉冲序列扫描加工，通过调控激发的SPPs的方向始终沿着扫描方向，进而在沿着SPPs的方向发生周期性的能量沉积，使周期性结构的排布方向始终垂直于扫描方向，克服了单脉冲加工的周期性表面结构的排布方向与入射激光偏振方向垂直的传统现象。同时，还克服了传统单脉冲加工的周期性结构在不同扫描方向上会出现明显波动的问题，使微纳尺度的周期性结构更加平滑工整，有利于随后钙钛矿的均匀沉积。
[0011]本专利技术利用垂直偏振的飞秒激光双脉冲在基底上加工出表面周期性结构(LIPSS)，即微纳量级尺寸的沟槽形状，然后采用空间限域生长法制备出毫米级大小、微米级厚度的钙钛矿单晶，最后再次使用飞秒激光在钙钛矿单晶表面制备表面周期性结构。其中，第一次使用飞秒激光的作用是利用微通道的限域效应，制备出大面积合适厚度的质量更好的钙钛矿单晶，第二次使用飞秒激光的作用是诱导出的周期性微纳结构，可以最大限度的降低钙钛矿单晶表面的反射，提高其吸收效率，采用本专利技术的钙钛矿单晶薄膜制备的光电器件不仅拥有更加优异的光电性能，而且工艺简单，成本低。
[0012]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：
[0013]进一步，步骤(1)中，预处理基材通过以下方法制得：将基材依次经去离子水和无水乙醇分别超声清洗20
‑
40min，然后真空干燥，再采用紫外
‑
臭氧处理10
‑
20min，制得预处理基材。
[0014]进一步，步骤(1)中，所述基材材质为锡掺杂氧化铟或氟掺杂氧化锡。
[0015]进一步，步骤(1)和(3)中，垂直偏振的飞秒激光双脉冲通过以下方法形成：采用迈克尔逊干涉仪将飞秒激光单脉冲转化为飞秒激光双脉冲，然后采用四分之一波片改变偏振方向，从而形成垂直偏振的飞秒激光双脉冲。
[0016]进一步，飞秒激光的中心波长为800
‑
1030nm，重复频率为900
‑
1100HZ，脉冲宽度为50
‑
270fs。
[0017]进一步，飞秒激光的中心波长为1030nm，重复频率为1000HZ，脉冲宽度为270fs。
[0018]进一步，步骤(2)中，钙钛矿前驱体溶液的浓度为0.08
‑
0.12mol/L。
[0019]进一步，步骤(2)中，钙钛矿前驱体溶液的浓度为0.1mol/L。
[0020]进一步，钙钛矿前驱体为MAPbBr3。
[0021]进一步，步骤(2)中，钙钛矿前驱体溶液通过以下方法制得：分别将MABr和PbBr2溶于DMF中，得到溶液一和溶液二，然后混合并震荡，制得钙钛矿前驱体溶液。
[0022]进一步，步骤(2)中，于50
‑
80℃条件下加热。
[0023]进一步，加热的升温速度为5
‑
10℃/min。
[0024]本专利技术还提供上述方法制得的基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜。
[0025]本专利技术还提供上述基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜在光电探测器制备方面的应用。
[0026]本专利技术具有以下有益效果：
[0027]本专利技术一方面把飞秒激光诱导周期性结构技术和空间限域生长法结合起来，利用所制备的周期性沟槽的限域效应，稳定钙钛矿溶质的传输，能够实现钙钛矿单晶薄膜的均匀沉积，提高结晶质量，生长出毫米级尺寸微米级厚度的钙钛矿单晶薄膜，提高载流子的寿命和迁移率；另一方面，再次利用飞秒激光再次在钙钛矿表面诱导LIPSS，可以延长光程，将
入射光子耦合到钙钛矿活性层中，在光活性层内产生驻波，增强光的吸收，同时，还可以减小局部载流子的扩散长度，增大与传输层的接触面积，增强光生载流子收集。
附图说明
[0028]图1为垂直偏振的飞秒激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在预处理基材表面利用垂直偏振的飞秒激光双脉冲诱导加工出表面周期性结构，制得加工后基底；(2)在步骤(1)制得的加工后基底上滴加钙钛矿前驱体溶液，盖上PDMS衬底并轻压，加热，制得钙钛矿单晶；(3)在步骤(2)制得的钙钛矿单晶表面，利用垂直偏振的飞秒激光双脉冲诱导加工出表面周期性结构，制得基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜。2.根据权利要求1所述的基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，预处理基材通过以下方法制得：将基材依次经去离子水和无水乙醇分别超声清洗20
‑
40min，然后真空干燥，再采用紫外
‑
臭氧处理10
‑
20min，制得预处理基材。3.根据权利要求1或2所述的基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基材材质为锡掺杂氧化铟或氟掺杂氧化锡。4.根据权利要求1所述的基于LIPSS钙钛矿单晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(3)中，垂直偏振的飞秒激光双脉冲通过以下方法形成：采用迈克尔逊干涉仪将飞秒激光单脉冲转化为飞秒激光双脉冲，然后采用四分之一...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，李圣佳，孙靖雅，连易灵，陶文攀，吴旭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：