光电探测器

光电探测器

王雯雯

——二维材料与钙钛矿杂化异质结构

王雯雯山东省招远市第九中学265400

近期，过渡金属硫化物二维材料受到了极大的关注。在这些材料中，由于二硫化钼优良的光电性能，作为场效应晶体管、传感器及光电器件被广泛的研究。基于单层硫化钼的光电探测器表现出优良的性能，光响应度达到880A/W。然而，多层硫化钼由于低的光吸收性能，导致其光电器件的性能低只有100mA/W，极大的限制了其在光电探测器件中的应用。为了增加光生载流子率，最近在硫化钼表面覆盖其它高光吸收系数材料的方法有一些报道。例如，JinsuPak用太青铜表面修饰硫化钼；Kufer等人用PbS量子点修饰硫化钼。两种方法都被证明是有效的方法，提高了硫化钼场效应器件的光电探测性能。另一方面，有机无机杂化钙钛矿材料作为一种新兴的光电材料，表现出了极好的光电性能。比如高的光吸收系数以及长的电子空穴扩散距离，基于钙钛矿材料的太阳能电池光电转换效率已经高达20.1%。另外，钙钛矿材料同样在光电探测中被用作吸光活性层，如钙钛矿石墨烯和钙钛矿硫化钨。因此，将具有优良电学性能的硫化钼与钙钛矿材料结合，是实现高效探测器的关键。

实验采用n型掺杂的硅片作为基底和栅极，表面通过热氧化得到300nm的二氧化硅作为绝缘层。薄层二硫化钼通过机械剥离块体，通过转移到硅片上。二硫化钼薄层的厚度和均一性通过原子力显微镜和光学显微镜确定。硫化钼晶体管的电极通过电子束曝光确定电极形状，然后热蒸镀铬金作为电极。硫化钼器件做完后，器件在氩气气氛下退火180min，去除残留的有机物。75um的单孔铜网用来精确定位钙钛矿沉积位置。两步真空蒸镀法被用来制备钙钛矿。不同厚度的碘化铅的沉积过程通过晶振片精确控制，然后不同厚度的碘化铅与碘甲胺在管式炉分别反应30min。钙在硫钛矿薄膜的结晶性通过XRD标定，沉积化钼表面的钙钛矿形貌通过SEM表征。

我们研究了用不同光照强度的450nm激光照射下钙钛矿硫化钼杂化器件的光电性能，光电流随着光照的增强单调的增加。为了研究钙钛矿厚度对于光电探测性能的影响，我们制备了不同厚度钙钛矿的杂化器件；为了排除不同硫化钼的影响，我们挑选了厚度和迁移率都接近的硫化钼来研究。

不同厚度钙钛矿硫化钼杂化器件的光电流与光强的关系：所有器件的光电流都随着光强增加，其中100nm厚度器件表现出最高的光电流。光探测度是评判光电探测器件的重要指标，定义如下：R=。

其中Iph是光电流，Pin是入射激光的功率，A是器件有效面积。图三d表现不同厚度钙钛矿器件在不同光照强度下的光响应度，测试条件为栅压为5V，源漏电压为2V。可以观察到，所有器件都表现出随着光强的减弱，器件的响应度上升，且PVK/MoS2杂化器件的光响应度要远远好于裸硫化钼器件。在这四个器件中，100nm厚度钙钛矿的杂化器件表现出最高的响应度，响应度高达104A/W。我们认为有两个重要因素可能影响PVK/MoS2杂化器件的光响应度、光吸收和光生载流子的传输。

当入射光强较弱时，光主要被上表层的钙钛矿层吸收，光生载流子在纵向由钙钛矿到二硫化钼沟道传输过程中在钙钛矿内部复合。钙钛矿薄膜越厚，复合越明显。然而，当入射光强足够强时，整个钙钛矿层都有效地吸收光并产生光生载流子。换句话说，钙钛矿层越厚，产生的光生载流子越多。考虑到这两个因素，100nm厚钙钛矿器件在弱光下表现出最好响应度。而在强光强照射下，200nm厚钙钛矿薄膜杂化器件表现出更好的响应度。这些器件的光响应总结在表一种。

图.不同厚度钙钛矿的紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱

为了更好的揭示钙钛矿厚度对于杂化器件的光电探测性能的影响，我们对杂化器件进行了进一步的紫外可见吸收光谱（UV-Vis）和光致发光（PL）的实验。图中a是三种不同厚度钙钛矿薄膜的吸收光谱，可以看到钙钛矿薄膜厚度越厚，吸收的光越多。器件4号样品的吸收强度高于器件3和器件2。为了研究载流子在不同厚度钙钛矿薄膜中向二硫化钼沟道传输效率，我们做了稳态光致发光谱。从图中b中可以看出钙钛矿薄膜越薄，PL的淬灭越严重意味着载流子从钙钛矿到硫化钼的传输效率越高。虽然当光照时厚的钙钛矿薄膜可以产生更多的空穴-电子对，但光生载流子在到达钙钛矿和二硫化钼界面过程中面临复合的问题，将对光电流没有贡献。对于我们的实验结果，100nm厚度的钙钛矿薄膜的杂化器件光电探测性能最好。

总结，钙钛矿二硫化钼杂化薄膜晶体管光探测器由薄层硫化钼和钙钛矿薄膜构成。不同厚度的钙钛矿薄膜通过两步真空蒸镀法制备。通过将钙钛矿薄膜覆盖在硫化钼上，钙钛矿硫化钼异质光探测器表现出优良的性能，光响应度高达104A/W，快速响应时间40ms。探测器性能的提升归因于钙钛矿层对光的吸收和光生载流子从钙钛矿层到硫化钼沟道中的有效注入。