杂化钙钛矿CH3NH3PbI3和有机聚合物光电探测器制备及性能研究

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1、论文分类号：２码：８６０００学号：１９１ＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文Ｔ’ｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ杂化ｆ钙钛矿ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３和有机聚合物光电探测器制备及性能研究张婵婵指导教师姓名：张方辉学科名称：信息功能材料与器件论文提交日期：２０１８年３月论文答辩日期：２０１８年５月学位授予单位：陕西科技大学申请工学硕士学位论文论文题目：杂化钙钛矿CH3NH3PbI3和有机聚

2、合物光电探测器制备及性能研究学科门类：工学一级学科：材料科学与工程培养单位：电气与信息工程学院硕士生：张婵婵导师：张方辉2018年5月PREPARATIONANDPROPERTIESSTUDYOFTHEPHOTODETECTORBASEDONHYBRIDPEROVSKITECH3NH3PbI3ANDORGANICPOLYMERAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirem

3、entfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByChanchanZhangSupervisor:Prof.FanghuiZhangMay2018杂化钙钛矿CH3NH3PbI3和有机聚合物光电探测器制备及性能研究摘要杂化钙钛矿光电探测器和有机聚合物光电探测器（OrganicPolymerPhotodetectors,OPDs）具有价廉质轻、较广的材料选择性以及柔韧性好等优点，得到了广泛关注。经过深入研究，这两类光电探测器的性能有了较大的提升。然而，对于杂化钙钛矿光

4、电探测器，其材料多数集中在多晶钙钛矿上，但多晶钙钛矿存在着多晶界、缺陷密度大等问题，这会导致器件性能不稳定。为了解决这个问题，本文制备了基于MAPbI3钙钛矿单晶的光电探测器，其性能与传统多晶钙钛矿器件相比有了明显改善，并系统地研究了该单晶生长的影响因素；对于光响应较低的有机聚合物光电探测器，本文利用表面等离子共振效应制备了迁移率和光响应度较高的有机光电晶体管，且研究了金纳米颗粒与聚合物界面对器件光电性能的影响。具体研究工作归纳如下：（1）采用两步气相法生长出高质量、大尺寸的MAPbI3单晶，且对衬底表

5、面修饰来调控晶体的成核位置，解决了因CVD法生长小尺寸单晶而约束其在光电性能方面的应用问题。PbI2单晶的制备。通过物理气相沉积法（PVD）系统研究了PbI2单晶的生长影响因素，主要包括温度、压强、载气流速以及温度梯度。经研究发现，衬底温度和压强对晶体生长是非常关键的因素，其最佳的衬底温度是350℃，压强是250Pa，生长时间是20min，载气流速为20sccm，生长出PbI2晶体的厚度在35-700nm之间。但因晶体沿衬底边缘成核，为了测试方便，本文利用晶体成核的最低表面能原理，对衬底表面进行OTS修

6、饰，从而实现对晶体成核位置的调控。MAPbI3单晶的制备及表征。将制备好的PbI2晶体与CH3NH3I进行固-气相界面反应。经研究发现，完全成功转化成MAPbI3钙钛矿单晶的最佳反2应时间为140min，单晶面积为12000μm以上，高于目前已报道的钙钛矿单晶尺寸。接着对MAPbI3单晶表征发现，该晶体表面较为光滑，缺陷密度少，激子扩散较长（4.65ns）。此外，将MAPbI3单晶放置在空气中80天后，发现其X衍射特征峰没有明显变化，从而证实了大尺寸的MAPbI3单晶具有非常好的稳定性。（2）研究了不同

7、电极（Au、Ag、Cu）对MAPbI3单晶的光电探测器性能的影响。得出Au电极对光电探测器具有保护作用，而Ag电极可以较快I的增大光电流，提高光响应度。Au电极对MAPbI3单晶的光电探测器性能的影响。经研究发现，该器件的光电特性对不同波段的可见光具有一定的选择性。尤其对500nm波段的光电探测器较为敏感，其外量子效率为9034%，响应度为36.5A/W，探测144-14率为1.1×10J，开关比大于10，且具有非常低的暗电流为10A，是目前报道最低的数据。此外，Au电极与钙钛矿单晶不仅欧姆接触良好且具

8、有一定的保护作用。对器件的光电流寿命测试发现，30天后光电流依然趋于稳定，没有衰减。Ag电极对MAPbI3单晶的光电探测器性能的影响。经研究发现，该器件在光照条件下，光电流迅速提高，与Au电极相比高出3-4个数量级，这可能是功函数相对较低，电子激发所需的能量更低，使得在电极处聚集更多4的电荷。响应度也随着光照强度的增加而增大，从3.8×10A/W提高到52.7×10A/W，同时具有较快的响应时间（上升时间为0.03s，下降时间为0.15s）