基于FA0.85Cs0.15PbI3 鈣鈦礦的光電探測器及其圖像傳感應用

范榮譽

（合肥工業大學,安徽合肥,230009）

0 引言

光電探測器，是把光信息轉換為電信息，能探測波長從紫外到紅外波長的范圍，它吸引了越來越多的研究興趣，目前被廣泛應用于圖像傳感，光通信，監測環境等領域。[1-3]光電探測器可分為光電導型、光伏型/結型等。如今光電探測器主要由無機半導體諸如Ge、Si、GaAs 等材料占據主導，對于這些具有成熟可靠的制造工藝和技術的傳統光電探測器來說，它們的發展受到制造復雜和昂貴、機械靈活性和高驅動電壓的阻礙。近年來，溶液可處理的光電材料，如有機無機雜化鈣鈦礦材料（MAPbX3、FAPbX3）由于其直接的帶隙，且在300-800 nm（紫外、可見光和紅外）的較寬波長范圍內具有較大的光學吸收系數，長的載流子壽命和高的載流子遷移率，是用于寬帶光電探測器的理想材料，且在這個寬帶范圍內，有效的光吸收與可調節的吸收光譜成為一大特色。[4-5]

在本研究中，我們報道了基于Cs 摻雜的FAPbI3鈣鈦礦，且具有紫外到近紅外寬帶光譜響應的光電探測器。鈣鈦礦薄膜是通過一步旋涂法合成的，通過SEM 和AFM 證明了所制備的薄膜連續均勻，且薄膜的吸收邊在800 nm 左右。進一步電學測試分析，發現在530 nm 光照，300 μw/cm2光強下有高達2×102的開關比。最后在對器件在可見光下進行了圖像傳感應用。

1 器件的制備與性能測試

1.1 器件的制備

先 將461 mg PbI2（Macklin,99%）、38.9 mg CsI（Mack lin,99.9%）、145 mg FAI（Aldrich,99.5%）依次溶解于900 μL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF,99.8%）和100 μL 的二甲亞砜（DMSO,99.9%）的混合溶劑中，得到前驅體溶液。石英襯底暴露在O2等離子體中10 分鐘。將FA0.85Cs0.15PbI3前體溶液自旋涂在石英的頂部。旋轉涂層過程分為兩個步驟，慢轉速為600 轉/分鐘，持續10 秒，快轉速為4000 轉/分鐘，持續30 秒。將襯底加熱到135°C 保持10 min，最終在基板上形成黑棕色的FA0.85Cs0.15PbI3鈣鈦礦薄膜。在掩模罩的協助下，通過電子束蒸發器沉積厚度約為50 納米的金電極，溝道長度L 為2 mm，寬度W 為9 μm，即可制備成光電探測器。器件的制備流程如圖1 所示。

圖1 制備鈣鈦礦薄膜的流程示意圖

1.2 材料表征與電學測試測試

薄膜的AFM 圖像是由原子力顯微鏡（Benyuan Nanotech Com,cspm-4000）。薄膜的形貌由日立SU8020 用FESEM（日立SU8020）檢測。用紫外-可見分光光度計（UV-2550，日本島津）記錄光學吸收光譜。使用半導體I-V 表征系統（Keithley 公司，4200-SCS）進行電測量。為了進行光電性能研究，采用不同波長（265，365，450，530，660，730 和810 nm）的幾種激光二極管（Tanon 公司，UV-100）對器件進行照射，光源的功率強度通過光學功率計（Thorlabs GmbH,PM 100D）精確校準。

2 實驗結果與討論

2.1 表征分析

圖2（a）和（b）為FA0.85Cs0.15PbI3鈣鈦礦薄膜的場發射掃描電子顯微鏡俯視圖和能量色散x 射線光譜元素映射圖。可以清楚地發現，FA0.85Cs0.15PbI3鈣鈦礦薄膜是連續的，晶粒尺寸相對均勻，鈣鈦礦的各種元素也均勻分布。FA0.85Cs0.15PbI3鈣鈦礦膜的截面FESEM 圖像如圖3（a）所示。可以發現鈣鈦礦薄膜的厚度為352 nm。從圖中的原子力顯微鏡（AFM）圖像分析可知，平均粗糙度大約在40 nm，表明鈣鈦礦膜的表面比較均勻。FA0.85Cs0.15PbI3鈣鈦礦薄膜在400-1000 nm 的吸收曲線如圖3（b）所示，可以看到吸收邊大約在800 nm 左右。

圖2 （a）FA0.85Cs0.15PbI3 鈣鈦礦膜的FESEM 頂視圖,（b）FA0.85Cs0.15PbI3 鈣鈦礦薄膜的能量色散X 射線能譜元素映射

圖3 （a）FA0.85Cs0.15PbI3 鈣鈦礦膜的SEM 截面圖，（b）352 nm 厚度的FA0.85Cs0.15PbI3 鈣鈦礦薄膜的吸收光譜

2.2 電學測試分析

圖4（a）是器件在紫外到近紅外的光譜響應曲線，可以看到，在400 nm 左右波長的光照下，器件的光電流最大，而在800 nm 左右時，器件的光響應變得很微弱，這與前面的吸收曲線基本一致。圖4（b）是器件在室溫下，分別在暗狀態、265、530 和660 nm（均在300 μw/cm2的光強）光照下的I-V特性曲線，可以看出制備的器件呈現光電導特性，當光子能量高于鈣鈦礦禁帶寬度的入射光照亮器件時，電子被激發到最低的未占據分子軌道，而空穴在最高的被占據分子軌道，兩邊電極分別收集電子和空穴，從而產生光電流信號。

圖4 （a）基于FA0.85Cs0.15PbI3 鈣鈦礦光電探測器的光譜響應，（b）光電探測器對不同波長光的I-V 特性

在265 nm 光照下，0.5 V 的偏壓和300 μw/cm2的光強下的光響應如圖5（a）所示，可以看出所制備的器件暗電流在10-11A，光電流在10-9A，開關比可達102。圖5（b）描繪了器件在265 nm 光照，1 V 偏壓，光強從64 μw/cm2增大到356 μw/cm2時的I-T 曲線，器件的光電流隨著光強的增大而增大。這是因為隨著光強的增大，器件的吸收更多的光子能量，產生更多的電子空穴對，表面電極收集更多電荷，因此產生更大的光電流。

圖5 （a）在300 μw/cm2 光強265 nm 光照下的光響應，（b）不同光強下對265 nm 的光響應

當給予器件530 nm 光照，器件在0.5 V 偏壓和300 μW/cm2的光響應如圖6（a）所示，此時的開關比高達2×102。從圖6（b）可以看出，在300 μW/cm2的530 nm波長的光照下，隨著偏壓的增大，器件的光電流逐漸增大。這是因為隨著偏壓的增大，外建電場越強，促進了電子空穴對的有效分離，表面電極收集效率變高，導致光電流增大。

為了拓展基于FA0.85Cs0.15PbI3光電探測應用，然后我們使用如圖7（a）所示的裝置來研究器件的可見光圖像傳感能力。由于圖像是由單個器件記錄的，因此使用了一個由軟件編程計算機控制的自動位移平臺。測量每個像素的通道電流，然后將其合并到2D 對比圖中。圖7（b）顯示了投射到圖像傳感器上圖形是風車，有530 nm 投影的區域顯示5 nA 左右的光電流，而其余區域只有相對暗的電流。雖然光響應在不同區域的均一性有所差異，但很明顯，圖像可以很容易地分辨出來，這表明該器件具有可靠的成像能力，為該光電探測器在相關領域的應用打開了一扇大門。

圖7 （a）可見光圖像傳感裝置原理圖，（b）530 nm

照明下的風車進行二維電流映射圖

3 結論

我們通過一步旋涂法得到了高質量的FA0.85Cs0.15PbI3鈣鈦礦薄膜，并制備了基于FA0.85Cs0.15PbI3鈣鈦礦的紫外到近紅外的光電探測器。驗證了該器件屬于光電導型探測器，且在530nm 光照，0.5V 偏壓和300μW/cm2光強下，具有可達2×102的開關比。在自動位移系統與軟件的配合下，基于FA0.85Cs0.15PbI3鈣鈦礦的光電探測器還可以記錄530nm 光照下產生的風車圖像。這些結果表明，目前的基于FA0.85Cs0.15PbI3鈣鈦礦的光電探測器可能在未來的光電子系統中有潛在的應用前景。