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無機鈣鈦礦量子點改善ZnO基紫外探測器光響應(yīng)時間的研究 內(nèi)容總結(jié)：

半導(dǎo)體量子點以其優(yōu)異的光性能 [1] [2] [3] ，如量子點尺寸決定發(fā)射波長，發(fā)光譜線窄和發(fā)光效率，使得量子點在下一代照明和顯示以及光通信技術(shù)和太陽電池、發(fā)光二極管、光探測器及激光上都有廣泛應(yīng)用。

內(nèi)容：

1. 引言

半導(dǎo)體量子點以其優(yōu)異的光性能 [1] [2] [3] ，如量子點尺寸決定發(fā)射波長，發(fā)光譜線窄和發(fā)光效率，使得量子點在下一代照明和顯示以及光通信技術(shù)和太陽電池、發(fā)光二極管、光探測器及激光上都有廣泛應(yīng)用

近年來鹵化物鈣鈦礦材料被認為是潛能巨大的半導(dǎo)體材料 [4] ，其優(yōu)異的性能不僅在太陽能電池而且在LED和激光都有所應(yīng)用

然而有機鈣鈦礦因為從合成角度而言，金屬有機鹵化物鈣鈦礦量子點合成方法相對簡單，但在得到量子點的同時，會伴有微米級尺寸鈣鈦礦的產(chǎn)生，最終量子點的純度難以保證

此外，有機鈣鈦礦量子點溶液的穩(wěn)定性較差 [5] ，無機鹵化物鈣鈦礦量子點合成溫度較高，穩(wěn)定性較強，量子點可以溶解在甲苯或己烷中，應(yīng)用潛力更廣

雖然材料CsPbX3在50年前有過報道 [6] ，直到最近才有研究組將其合成為量子點，L.Protesescu等人 [7] 于2015年1月發(fā)表了合成CsPbX3 (X = Cl、Br、I)量子點的文章，他們詳細闡述了鈣鈦礦量子點制備過程

ZnO光電導(dǎo)探測器一般采用金屬–半導(dǎo)體–金屬(MSM)結(jié)構(gòu)，歐姆接觸電極做成叉指狀

MSM結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、量子效率高、內(nèi)部增益高等優(yōu)點，與平面場效應(yīng)晶體管技術(shù)兼容，可應(yīng)用在集成互連和高速取樣方面，寬帶大，可低壓工作

ZnO材料的光反應(yīng)包括快速和慢速兩個過程，即電子空穴對的產(chǎn)生過程和氧吸收–解吸過程，后者在實際中往往起到主導(dǎo)作用，這使器件下降時間比較長，甚至可以達到秒(s)的量級

本文用無機鈣鈦礦量子點修飾ZnO表面，依靠量子點層與ZnO層之間所形成的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，來提高光生載流子的分離速度，抑制ZnO的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)，從而提高探測器的響應(yīng)時間 [8] [9]

2. 實驗方案實驗采用射頻磁控濺射設(shè)備，在ITO薄膜上濺射一層ZnO薄膜

在濺射ZnO薄膜之前分別用丙酮、乙醇、去離子水各超聲清洗5 min，然后用干燥N2氣吹干

ZnO靶材純度為99.99%，生長真空為2.0 × 10?6 mT

以純度為99.99%的Ar和O2 (Ar:O2 = 95:5)作為濺射反應(yīng)氣體

濺射功率為100 W，生長時間為1 h

在所生長的薄膜上旋涂已經(jīng)合成的無機鈣鈦礦量子點溶液放在真空環(huán)境中干燥，量子點溶液的合成借鑒別人的合成方法 [10] [11] [12]

利用電子束蒸發(fā)設(shè)備，在真空度為2.5 × 10?5 mT的條件下蒸鍍厚度為150nm的金屬Al電極

樣品的尺寸為1.5 cm × 1 cm，勻膠儀轉(zhuǎn)速為3500 rpm，旋涂時間為40 s

對旋涂在ZnO薄膜上的無機鈣鈦礦量子點進行如下測試，樣品的形貌是用電場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，日立S-4800型)測試

探測器的I-V曲線以及探測器的正偏和反偏響應(yīng)由安捷倫B1500A和B2912A半導(dǎo)體設(shè)備分析測試，可見光照射用波長為400 nm，功率密度為2 mW/cm2的發(fā)光二極管照射

3. 結(jié)果及分析

圖1為ZnO表面和旋涂的量子點的掃描電子顯微鏡照片，濺射ZnO表面已經(jīng)標出，而黃色圓圈內(nèi)表示量子點區(qū)域

圖形，在實驗中，量子點覆蓋整個器件表面

從

圖中可以看出ZnO表面均勻的方格結(jié)構(gòu)，說明鈣鈦礦量子點在ZnO表面均勻緊密的分布

量子點的尺寸在10 nm左右

氧化鋅表面濺射不致密，導(dǎo)致陷阱和缺陷，對探測器的響應(yīng)將生不良影響



Figure 1. Sample surface of electronic scanning electron microscope

圖1. 電子掃描電鏡的樣品表面

圖由

圖2可以看出，該器件在外加偏壓下的響應(yīng)曲線是線性的，這通常被認為電極是歐姆接觸，對于歐姆接觸的ZnO紫外探測器，其響應(yīng)恢復(fù)時間常數(shù)約為幾秒至幾十秒甚至更長

通過旋涂在ZnO表面的量子點，來提高響應(yīng)時間



Figure 2. Photocurrent and dark current of the detector

圖2. 探測器的光電流和暗電流

圖3可以看出器件在光照400 nm，時間周期為10 s，在?2V的反向偏壓下，器件的響應(yīng)和恢復(fù)時間約為2 s，器件在反偏電壓下的電流約為?3.3 × 10?2 A



Figure 3. Under 400 nm illumination, and 10 s illumination period, the response of the device in reverse bias and recovery time

圖3. 400 nm光照下，光照周期為10 s，器件在反偏壓的響應(yīng)和恢復(fù)時間

圖4為器件正偏時的響應(yīng)程度與恢復(fù)時間擬合曲線，在2正偏壓下，器件的電流約為5.1 × 10?2 A

但是可以看出正偏的相應(yīng)恢復(fù)時間相對較慢



Figure 4. Device forward bias response curve

圖4. 器件正偏響應(yīng)曲線從

圖5中看出，光照停止后，反偏的時間恢復(fù)為2 s，正偏的時間恢復(fù)為10 s

器件在正偏電壓下，恢復(fù)慢的主要是原因在于量子點被激發(fā)傳輸載流子經(jīng)過ZnO層，由于ZnO的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)，光在ZnO材料中產(chǎn)生的光生載流子還未來得及在電極上收集就被晶體內(nèi)部俘獲

而且由于ZnO生長過程中，表面致密性差，導(dǎo)致陷阱增多，陷阱俘獲載流子，從而影響光生載流子的傳輸，導(dǎo)致響應(yīng)的時間恢復(fù)慢，使得恢復(fù)速度下降

當器件在反向偏壓下時，由于量子點層與ZnO之間形成了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，在界面處有空間電荷區(qū)的存在，當光照射在器件上時，空間電荷區(qū)的光生載流子會在電場的作用下快速分離

這樣的空間電荷區(qū)在器件反偏時尤為明顯

因此在反偏壓下時，更強的電場會有著更快的載流子分離傳輸速度，因此反偏下的器件會有著更快的響應(yīng)與回復(fù)速度



Figure 5. Device structure and band diagram

圖5. 器件結(jié)構(gòu)和能帶

圖4. 結(jié)論

本文通過在磁控濺射制備的ZnO薄膜上旋涂無機鈣鈦礦量子點層，來減少ZnO基紫外探測器光響應(yīng)時間

實驗表明，在400 nm的可見光照射下，施加反向偏壓的探測器響應(yīng)回復(fù)速度比正向偏壓下的響應(yīng)回復(fù)速度快，器件性能得到改善

基金項目The Developing Project of Science and Technology of Jilin Province (20160204069GX, 20160520117JH, 20170520169JH), the Project of Education Department of Jilin Province (JJKH20170241KJ)

NOTES*通訊作者

參考文獻

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摘要: 近年來半導(dǎo)體量子點以其發(fā)光效率高、量子點尺寸具有可調(diào)的發(fā)射波長、特有的光學(xué)特性以及分離三角功能狀態(tài)和光學(xué)振子密度大、溫度不敏感的光學(xué)增益受到人們的極大關(guān)注。本文利用無機鈣鈦礦量子點(CsPbBr3)修飾ZnO基紫外探測器來改善響應(yīng)時間。結(jié)果表明，修飾后的紫外探測器，在400 nm可見光照射下，器件的響應(yīng)恢復(fù)時間反偏為2 s，正偏時間為10 s，恢復(fù)時間明顯改善。

標簽：無機鈣鈦礦量子點(CsPbBr3),ZnO薄膜,紫外探測器,Inorganic

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