中科院化学所Adv. Mater.:双层PbS量子点助力高性能光电探测


引言

光电探测广泛应用于成像、通信和生物传感等领域。市场上的光电探测器主要是基于硅材料和其他III–V族半导体材料,但是这些材料面临着成本高,不易柔性化等问题。PbS量子点具有带隙可调范围宽(0.6~1.6 eV)、摩尔吸光系数高(106 M-1 cm-1),制备工艺简单以及稳定性好等优点,因此被认为是新一代柔性光电探测器的优秀候选材料。现有的单层PbS量子点光电探测器面临着漏电流大、开关比低、响应速度慢等问题。也有报道将金属纳米粒子、有机材料和石墨烯等材料与PbS量子点结合,形成杂化型光电探测器件,此类方法有效地增强了器件的响应度,但也带来了非常高的暗电流等问题,使得器件的性能无法全面提升。因此,如何克服单层PbS量子点和杂化PbS量子点光电探测器面临的问题是一个亟待解决的问题。

成果简介

近日,中科院化学所王吉政、胡劲松教授联合华东理工大学特聘教授钟新华(共同通讯作者)Adv. Mater.上发表了一篇题为 “Bilayer PbS Quantum Dots for High-Performance Photodetectors”的文章。在该项成果中,研究人员提出了一种双层PbS量子点结构的光电探测器,从而全面地提升了PbS量子点型光电探测器的性能参数;构造出了一种具有响应速度快、LDR宽、探测率高等优点的PbS量子点型光电探测器。PbS双层量子点不受衬底约束,既可以生长在玻璃上,又可以生长在PI膜上,克服了传统光电探测材料的难柔性化缺点。

图文导读

文章主要对比研究了三种不同结构的器件,分别是PbS量子点溶于TBAI配体的单层器件,PbS量子点溶于EDT配体的单层器件,以及将这两种单层量子点结合在一起的双层量子点器件。研究发现将两种单层PbS量子点结合成的双层量子点器件性能得到显著提高。

1:PbS量子点的TEM表征图、吸收谱、UPS、以及能级分布

(a) 油酸修饰过的PbS量子点的TEM图;

(b) 原始油酸修饰的PbS量子点、PbS-TBAI量子点和PbS-EDT量子点的吸收谱;

(c) PbS-TBAI量子点薄膜的紫外光电子能谱(UPS),插图为二次电子截止区放大图;

(d) PbS-EDT量子点薄膜的紫外光电子能谱(UPS),插图为二次电子截止区放大图;

(e) PbS-TBAI和PbS-EDT的能级分布图,虚线为费米能级,上边实线为导带底下边实线为价带顶。

2PbS量子点器件结构示意图、能带图以及光暗条件下的I-V曲线

(a) 单层PbS-TBAI器件结构示意图;

(b) 单层PbS-EDT器件结构示意图;

(c) 双层PbS-TBAI/PbS-EDT器件结构示意图;

(d) 双层PbS-TBAI/PbS-EDT结构能带示意图;

(e) 三种器件的暗电流I-V曲线;

(f) 三种器件的光电流I-V曲线,测试条件:白光,0.2mW cm-2

3PbS量子点器件的电流开关响应曲线以及响应时间曲线

(a, b, c) a, b, c分别对应三种器件的I-T曲线,通过规定的频率调节照射光的开关;

(d, e, f) d, e, f分别对应三种器件的上升下降时间曲线;

测试条件:10V偏压,0.20 mW cm−2白光照射。

4PbS量子点器件不同波长下对应的光电流、响应度和比探测率

(a) 三种器件不同波长下对应光电流曲线;

(b) 三种器件不同光波长下对应的响应度曲线;

(c) 三种器件不同光波长下的比探测率曲线;

测试条件:光功率10.6μW cm-2,偏压为10V。

5PbS量子点器件信噪比、光电流与光功率密度的关系

(a) 三种器件在不同光能量密度下的信噪比;

(b) 三种器件在不同光能量密度下的光电流曲线。

6:柔性器件实物图,光电流响应与光功率密度的关系

(a) 制备在PI膜上的双层PbS量子点柔性器件实物图;

(b) 柔性器件在不同光强下的光电流变化图,测试条件:10V偏压。

小结

研究者利用两种单层PbS量子点进行一个简单的组合,制备出双层PbS量子点器件,从而有效的提升了光电探测器的性能参数。这一方法构思巧妙,制备工艺简单可行。为PbS量子点光电探测器件的研究提供了一个全新的思路。

文献链接:Bilayer PbS Quantum Dots for High-Performance Photodetectors(Adv. Mater.,2017,DIO: 10.1002/adma.201702055)

本文由材料人新人编辑部刘于金编译,赵飞龙审核,点我加入材料人编辑部

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