基于PbS量子点的叠层红外光电探测器的研究

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近几年,红外波段的半导体量子点(如HgTe、InP、PbS等)纳米材料的合成迅速发展。相对于其他材料,硫族铅盐(如PbSe和PbS)量子点具有更加明显的量子尺寸效应、表面效应以及多激子产生效应,并以其独特的优势被广泛应用于红外光电探测器、生物示踪、太阳电池、光纤通讯等领域。由于量子点的大小可以通过控制反应条件来调节,而量子点尺寸直接影响着吸收光谱峰值,因此基于该胶体量子点的红外光电探测器的响应波长也可调节。通过对PbS量子点的合成方法、成膜技术、表面配体置换以及薄膜热退火等工艺的不断探索,以及器件结构的不断优化,基于PbS量子点的红外光电探测的器件性能(如响应度、比探测率、光敏度等)有了很大的提高。在此基础上,本论文中我们尝试利用窄带隙半导体PbS量子点来制备叠层结构红外光电探测器,期望为高灵敏度红外光电探测器提供理论依据及应用基础。通过实验研究,得到了如下主要结论:(1)采用热注入法,用氧化铅(PbO)为铅源、(TMS)2S为硫源合成了尺寸均一、粒径在45nm的PbS胶体量子点,可通过控制不同的反应温度及反应时间来调控半导体量子点的尺寸及吸收光谱峰位。(2)选用阳离子表面活性剂TBAI对PbS胶体量子点表面包覆的长链有机油酸配体进行配体置换,增强了薄膜的电导率和载流子迁移率,因而提高了器件性能。(3)采用ZnO/poly-TPD作为中间层,制备了叠层光电探测器ITO/PEDOT:PSS/PbS/ZnO/Poly-TPD/PbS/ZnO/Al。中间层一方面引入空穴注入势垒,降低漏电流;另一方面,ZnO/poly-TPD界面提供了载流子复合的载体,因而,能提高器件的性能。当与单层光电探测器ITO/PEDOT:PSS/Poly-TPD/PbS/ZnO/Al相比,叠层光电探测器的响应度R和比探测率D*都有较大提高。在11.7μW/cm2的500nm光照射下以及-0.5V偏压下,叠层光电探测器(ITO/PEDOT:PSS/PbS/ZnO/Poly-TPD/PbS/ZnO/Al)的响应度R为0.3A/W,其比探测率D*约为2×1012Jones。
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