有序CH3NH3PbI3纳米线与CdSe纳米带杂化材料的制备及其光电性能研究

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目前,有机无机杂化甲胺碘化铅钙钛矿(CH3NH3PbI3)因有与太阳光谱匹配的直接带隙(1.5 eV)成为性能优良的光电材料。但基于钙钛矿平面化结构的光电探测器往往具有较大的电滞、较慢的光响应和较低的灵敏度等缺点限制了它的发展。而改善钙钛矿器件性能的一个特别有效的方法是将钙钛矿层与其他功能材料相结合。硒化镉纳米带(CdSe NBs)因其自身优良的光学性能已经被用于光电探测器领域,但因电阻率高等原因限制了更广阔的发展。本论文通过构建有序甲胺碘化铅纳米线与硒化镉纳米带杂化(CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs),促进电子-空穴对有效的分离,大大提高了器件的光电性能。本论文以建构高性能的CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs器件为导向,开展了从材料的制备到器件性能测试的全系统研究。通过一步法和两步法制备CH3NH3PbI3 NAs,热蒸发制备CdSe NBs和液滴法制备CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs杂化材料。并通过光学显微镜(OC)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDX)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对其形貌、成分、结构进行表征。同时采用拉曼(Raman)和光致发光谱(PL)对其光学性能进行测试分析。本论文的研究成果如下:1、通过一步法与两步法制备甲胺碘化铅钙钛矿纳米线(CH3NH3PbI3 NWs)。通过OC与SEM对两者形貌进行表征,研究发现一步法制备的CH3NH3PbI3 NWs是有序的,阵列的;两步法制备的CH3NH3PbI3 NWs是无序的、杂乱的。此外,我们采用EDX、XRD手段对两者的结构和成分进行表征,结果表明两种方法制备的CH3NH3PbI3 NWs均表现出较好的结晶性。还采用XPS对一步法制备CH3NH3PbI3 NWs进行表征,研究发现CH3NH3PbI3 NWs纯度很高。另外,我们测试了两种CH3NH3PbI3 NWs的PL,结果均表明CH3NH3PbI3 NWs缺陷少,结晶性好。2、通过热蒸发方法制备CdSe NBs。采用SEM对其形貌进行表征,结果表明CdSe NBs表面光滑、平整。此外,采用EDX、XRD、XPS对其结构和成分进行表征,结果表明了CdSe NBs表现出良好的结晶性。另外,我们测试了CdSe NBs的Raman和PL,结果也表明CdSe NBs缺陷少,结晶性好。3、采用液滴法对一步法制备的CH3NH3PbI3 NAs与热蒸发制备的CdSe NBs进行杂化构建。通过对CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs的形貌进行表征。研究发现,CH3NH3PbI3 NAs与CdSe NBs成功的结合在一起。此外,我们测试了CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs的PL,结果表明PL峰的变化是CH3NH3PbI3NAs/CdSe NBs的电子-空穴对有效的分离引起的。4、建构CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs器件并与单一的器件进行对比。研究发现CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs光电探测器在功率密度为21.57 mW/cm2的白炽灯照射和1 V的偏压下,光电流比纯CH3NH3PbI3 NAs光电探测器提高了5600%,光暗电流之比提高了157%;光电流比纯的CdSe NBs光电探测器提高了1670%,光暗电流之比提高了304%。CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs光电探测器在480 nm的光谱响应度、量子效率和光探测率比纯的CH3NH3PbI3 NAs大1160%;在780nm的光谱响应度、量子效率和光探测率比纯的CH3NH3PbI3 NAs大720%。CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs的反应时间也降低到0.81 ms/0.77 ms。结果表明CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs杂化结构促进了电子-空穴对的有效分离,大大提升CH3NH3PbI3 NAs/CdSe NBs器件的光电性能。本论文的研究结果有望用于构建高性能光电探测器和其他光电器件,为未来的波长控制光电探测器的开发提供了更多的可能性。
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