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《北京交通大学》 2018年
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新型光电探测器的制备与机理研究

李凌亮  
【摘要】:光电探测器在民用、军事、科研等领域都发挥着重要作用。传统的基于无机半导体材料的光电探测器已经成功商业化。近年来,新型半导体材料的研究发展迅速,尤其是有机半导体材料、有机-无机杂化卤素钙钛矿材料,因其易制备、低成本等优点而备受关注。将新型半导体材料应用在光电探测器上,拓展光电探测器的应用领域、降低成本,是目前的研究热点。在外量子效率(external quantum efficieny,EQE)、噪声水平、响应速度等方面,基于新材料的探测器都还有进一步改善的空间。本文分三部分,分别研究了有机磷光材料在二极管型光电探测器上的应用、聚合物材料在倍增型光电探测器上的应用、有机-无机杂化卤素钙钛矿材料在可调响应范围的光电探测器上的应用。本文的主要研究内容如下:根据二极管型有机光电探测器的工作机理,更长的激子寿命有利于器件的电流输出。使用激子寿命较长的磷光材料作为给体,与富勒烯衍生物受体材料混合,制备并测试了二极管型有机紫外光电探测器。结果表明,激子寿命更长的磷光材料在与富勒烯衍生物混合后,有较高的激子解离效率。由于材料的强吸收范围集中在紫外区域,制备的器件在紫外区域有较强的响应。基于磷光材料的有机紫外光电探测器最高EQE约为40%。倍增型光电探测器因其在同样光照条件下具有更强的输出电流,在需要强输出信号、噪声干扰较大的应用场景中有很大的应用价值。根据电荷陷阱能导致能带弯曲辅助外部电荷隧穿注入器件的理论,设计了新型器件,在聚合物半导体:富勒烯衍生物的混合体异质结体系中通过减小受体材料的掺入比例形成了电子陷阱。实验结果表明,给受体质量比为100:1时器件具有最强的光电倍增现象,最高EQE达到16800%。去除阴极的氟化锂修饰层后,EQE进一步上升到40000%。通过光场模拟和电荷分布模拟,证明EQE光谱形状强烈依赖于靠近空穴隧穿注入界面一侧的受陷电子分布规律,而这一分布规律是可以通过改变电压方向、改变电压大小来改变的。电子分布的改变原因是外电场能使电子隧穿跳跃,在陷阱间传输。通过瞬态电流测试,也能间接地观察到电子在有源层中分布的改变。光谱响应范围是很关键的特性,很大程度上决定了一个光电探测器的应用领域。如果能灵活调整每一个光电探测器的响应范围,就能极大拓展光电探测器的适应性。在这项研究中,设计并制备了一种具有两层卤素比例不同的钙钛矿材料的新型器件,成功获得了连续可调的光谱响应范围。两层卤素比例不同的钙钛矿材料这个新器件结构的优势在于,有一层钙钛矿材料与有源层完全电气隔离,吸收的光子对EQE完全无贡献,所以可以极大地抑制短波长区域的EQE,获得极高的抑制比(大于1000倍)。而通过分别调节两层钙钛矿材料的卤素比例,可以调整光谱响应范围的边界。该方法制备窄带响应钙钛矿光电探测器时,最窄能实现28 nm的半峰全宽。另外,还制备了钙钛矿红绿蓝(RGB)光电探测器,证明了该方法能灵活制备更多其他响应范围的光电探测器。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN15

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