Fotodetector de perovskita con respuesta rápida

Resultados y discusión

Como se muestra en la Fig. 1a, los fotodetectores están compuestos por un electrodo de puerta, una oblea de silicio (n ⁺ Si) con un SiO ₂ de 300 nm de espesor capa (capacitancia C _buey de 11,5 nFcm ⁻² ), capa activa (película delgada de perovskita híbrida orgánico-inorgánica preparada mediante el procesamiento de una solución de recubrimiento por rotación en un solo paso), capa decorada (CsPbBr ₃ QDs), y electrodos de fuente y drenaje (evaporados térmicamente a través de mascarillas). La Figura 1 b describe la imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de sección transversal del dispositivo. El espesor de SiO ₂ La capa dieléctrica es de 300 nm, CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x La capa activa de perovskita es de aproximadamente 102 nm, y el CsPbBr ₃ decorado La película de la capa QDs es de aproximadamente 97 nm. El diagrama muestra claramente que la interfaz entre CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x perovskita y CsPbBr ₃ QDs es transparente y no tiene una capa intermedia, lo que manifiesta propiedades fotoeléctricas optimizadas. Como se mencionó anteriormente, en los foto-FET, el grosor del canal semiconductor juega un papel crucial. En primer lugar, se requiere una capa activa más delgada para ajustar el comportamiento de manera efectiva. Sin embargo, las películas más delgadas de perovskita tienden a producir picaduras, lo que conduce a una conducción no homogénea en el canal. Mientras tanto, la capa activa más delgada también significa una baja absorción de fotones. El grosor optimizado del CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x La película de nuestro dispositivo está a unos 102 nm. Para mejorar la interacción luz-materia en un dispositivo de perovskita más delgado, CsPbBr ₃ de 97 nm Se prepara capa QD, sensibilizador óptimo con fuerte absorción. Imagen TEM de CsPbBr ₃ QD, en la Fig. 1c, muestra el tamaño de partícula uniforme y la forma del rectángulo. El recuadro de la Fig. 1c muestra los picos de difracción de rayos X (XRD). Los picos muestran una estructura cúbica típica (JCPDS No. 54-0752), que coincide con los resultados de TEM. Además, para investigar la cristalinidad del CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x película, espectro de difracción de rayos X (XRD) de la película de perovskita sintetizada sobre un sustrato de vidrio tiza. La Figura 1d presenta el espectro XRD, y cuatro picos característicos centrados en 14.2 °, 28.6 °, 31.02 ° y 43.38 ° se asignan a los planos (110), (220), (310) y (330), respectivamente, lo que indica que las películas de haluro perovskita poseen la estructura cristalina ortorrómbica esperada con alta cristalinidad, lo cual es consistente con la literatura publicada [34,35,36,37,38].

Estructura del dispositivo y características relacionadas. un Esquema de CCPD. b Imagen SEM de corte transversal de los fotodetectores con una escala de 500 nm. c Imagen TEM de CsPbBr ₃ QD con una escala de 20 nm, el recuadro es el espectro XRD de CsPbBr ₃ QDs. d Espectro XRD de CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x película de perovskita. e Espectro de absorción óptica de CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x perovskita (línea de olivo) y perovskita decoradas con CsPbBr ₃ QD (línea de origen) sobre un sustrato de vidrio

Según las curvas de absorción de luz del CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x perovskita (línea azul) y perovskita decoradas por CsPbBr ₃ QD (línea rosa) como se muestra en la Fig. 1e, el CsPbBr ₃ decorado Las QD solo pueden mejorar la absorción para un rango estrecho (400-500 nm) en comparación con CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x capa únicamente. Además, también calculamos la banda prohibida de QD de acuerdo con la ecuación de Tauc [39,40,41,42,43,44] como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1. La banda prohibida es de aproximadamente 2,38 eV. El espectro de fotoluminiscencia (PL) de QD también se muestra en el archivo adicional 1:Figura S2, la longitud de onda central de PL es casi igual al borde de absorción.

A continuación, se exploraron las propiedades eléctricas de los dispositivos. La Figura 2a describe el I – V características de los fotodetectores con voltajes de puerta variados (0 V, ± 0,2 V, ± 0,4 V, ± 0,6 V, ± 0,8 V, ± 1,0 V) en la oscuridad. Hay dos estados en los detectores, según la Fig. 2a. En estado APAGADO (| V _GS | =0), las líneas espectrales son lineales y I _DS aumenta rápidamente con el aumento de V _DS , lo que indica que se forma una barrera de Schottky en el dispositivo. Mientras está en estado ON (| V _GS | ≥ 0,4 V), las características de voltaje de corriente lineal a saturación aparecen a medida que aumenta el voltaje, similar a los FET tradicionales. Debido a que los excitones permanecen en los estados de trampa [45] de la perovskita que no pueden convertirse en fotocorriente, lo que lleva a la saturación de la fotocorriente.

Propiedades eléctricas del fotodetector de perovskita. un Características de salida a diferentes V _GS en la oscuridad. b Características de transferencia ( I _DS frente a V _GS ) en V _DS =0,1 V con iluminación (línea roja) y en la oscuridad (línea negra). c Curva de transferencia del fotodetector en función del voltaje de puerta-fuente negativo en V _DS =1 con potencias ópticas de incidencia variable. d Responsividad ( R ) con una relación de luz de excitación ( E _e )

El desempeño ambipolar se puede concluir a partir de las características de transferencia (Fig. 2b) bajo iluminación oscura y clara, es decir, tanto para V negativo _GS y V _DS , el dispositivo funciona como modo de mejora de huecos y, por el contrario, el dispositivo funciona en el modo de mejora de electrones con V positivo _GS y V _DS . Debido a la diferencia de potenciales de electrones, los huecos separados de los fotoexcitones generados en la heterounión tienden a residir en la capa de perovskita. Al aumentar la densidad de potencia incidente, la tasa de transferencia de los huecos es mayor que la de los electrones. La curva se desplaza hacia V positivo _GS en la Fig. 2b indica que la heterounión tiende a ser p -tipo en este dispositivo. Mientras tanto, en la región lineal, la relación entre la movilidad del efecto de campo y el voltaje de la puerta se puede extraer con la ecuación de

donde L y W son la longitud y el ancho del canal, respectivamente, y C _buey es la capacitancia por área. Por lo tanto, la movilidad de los huecos y los electrones se puede calcular como 172 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ y 216 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Este agujero equilibrado y la movilidad de los electrones explica aún más el comportamiento ambipolar del dispositivo bajo iluminación de luz.

Las figuras 2c yd describen las propiedades fotoeléctricas del dispositivo fabricado. La figura 2c muestra la curva de los fotodetectores en función del voltaje de puerta-fuente negativo en V _DS =- 1 V con potencias ópticas de incidencia variable. Es obvio que el dispositivo muestra n -comportamiento de dopaje de tipo. El campo incorporado en la heterounión promueve una mayor separación de pares de electrones y huecos y una inyección acelerada de huecos en el canal de perovskita para V negativo _GS y V _DS .

La figura 2d muestra la R del dispositivo con la relación de irradiancia ( E _e ), en el que la longitud de onda de la luz incidente es de 405 nm. Como puede verse, la R disminuye linealmente con E _e a una potencia de irradiación inferior a 200 mW / cm ² , mientras que se desvía de la linealidad con una irradiación de potencia superior a 200 mW / cm ² .

Para conocer el desempeño superior del CCPD. Es necesaria una serie de comparaciones. La figura 3a muestra la comparación de R sobre el dispositivo con la relación de irradiancia ( E _e ), en el que CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x El fotodetector de perovskita (CPD) y el CCPD explican el ajuste de la función recíproca. La R , como figura de mérito en fotodetector, se puede calcular a partir de la fórmula de

Parámetros clave de CCPD. un R de CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x dispositivos de perovskita (línea azul) y perovskita decorados por CsPbBr ₃ Dispositivos QDs (línea rosa). b D * en función de la intensidad de la iluminación E _e . En la prueba se utilizó láser continuo de 405 nm, voltaje aplicado V _DS = V _GS =1 e irradiancia E _e =0, 166, 335, 492, 648 mW / cm ²

donde L es la longitud del canal (0,1 mm), W es el ancho del canal (2,5 mm) y I _p es el valor de diferencia entre la fotocorriente luminosa y la fotocorriente oscura medida a V _DS =1 V en la curva de salida. La R máxima se calcula en 0.39 A / W (en CCPD), obviamente mayor que el de 0.22 A / W (en CPD). La capacidad de respuesta mejorada de CCPD se atribuye al CsPbBr ₃ Sensibilizador QDs con alta absorción de luz e inyección de portador eficiente en la capa de perovskita.

Detectividad ( D * ) es otro parámetro clave para evaluar el rendimiento de los fotodetectores. Según el valor numérico de la capacidad de respuesta preexistente, la D * versus irradiancia ( E _e ) se puede estimar mediante la siguiente ecuación:

$$ {D} ^ {\ ast} =\ frac {RA ^ {\ frac {1} {2}}} {{\ left (2 {eI} _ {DS} \ right)} ^ {\ frac {1 } {2}}} $$ (3)

Donde R , A , e y yo _DS son la capacidad de respuesta, el área de canal disponible de los dispositivos, la carga de un electrón y la corriente oscura, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 3b, está claro que D * de CCPD (5,43 × 10 ⁹ Jones) es notablemente más alto que el de CPD (1,25 × 10 ⁹ Jones). Prueba adicional de material de canal sensibilizado con CsPbBr ₃ de fuerte absorción Los QD pueden mejorar el rendimiento del dispositivo.

Otros parámetros clave representan el rendimiento del fotodetector, como la potencia equivalente de ruido ( NEP ) y la ganancia ( G ) se puede dar como [46]

$$ NEP =\ frac {A ^ {\ frac {1} {2}}} {D ^ {\ ast}} \ kern0.72em G =\ frac {h \ nu} {e} R $$ (4)

donde R , A , e y yo _DS tienen el mismo significado que el anterior. Particularmente, cuando el máximo R de CCPD es 0.39 A / W, el D * alcanzó 5,43 × 10 ⁹ Jones. En esta condición, el NEP y G de este dispositivo se puede recibir a un valor increíblemente alto de 9,21 × 10 ⁻¹² W / Hz y 1,197, respectivamente.

La responsabilidad ante las señales ópticas es un índice importante sobre el transporte y la recogida de portadores eficientes. La Figura 4a muestra la corriente de drenaje con ciclos de luz de encendido y apagado en un intervalo de tiempo de 20 ms y V sesgado _DS =1 V, V _GS =1 V. Como se puede observar, la corriente aumenta rápidamente en cuanto se enciende la luz y se reduce rápidamente mientras se apaga la luz, sugiriendo la buena estabilidad y reproducibilidad en el avance de los ciclos on-off con irradiancia lumínica de 648 mW / cm ² a 405 nm. Sin embargo, un intervalo de tiempo de 20 ms es demasiado largo para expresar la respuesta de fotocorriente del dispositivo. Para calcular el tiempo de respuesta del dispositivo, se utiliza una fuente de luz pulsada de 4000 Hz para irradiar el dispositivo. La Figura 4b representa la respuesta de fotocorriente temporal de la imagen. Los tiempos de subida y bajada de la fotocorriente son ∼121 y ∼107 μs, respectivamente, lo que indica una velocidad de respuesta ultrarrápida que los informes anteriores, como se muestra en la Tabla 1.

Características de la fotorrespuesta de la CCPD. un Respuesta actual de los dispositivos bajo irradiación ( λ =405 nm) en V _DS =1 V y V _GS =1 V. b Respuesta de fotocorriente temporal del CCPD bajo irradiación de 648 mW / cm ²

El principio de funcionamiento y los procesos interfaciales de CCPD se muestran esquemáticamente en la Fig. 5. El detector fabricado se excitó con láser de 405 nm (3,06 eV), cuya energía de fotón es mayor que la perovskita híbrida (1,5 eV) y la CsPbBr ₃ (2,4 eV) para asegurar la generación de excitón en ambas capas. Como la discrepancia de la energía de Fermi ( E _F ) de CsPbBr ₃ y perovskita híbrida, la heterounión se formaría en las interfaces de las dos capas, lo que mediaría o suprimiría la difusión de los portadores. Afortunadamente, el E _F de CsPbBr ₃ es más alta que la de la perovskita híbrida y conduce a una configuración de energía como se muestra en la Fig. 5. De acuerdo con esta configuración de nivel de energía, la interfaz puede mediar en el transporte de ambos portadores desde la capa sensibilizadora a la capa activa, lo que mejorará el rendimiento del dispositivo. Por otro lado, la perovskita prístina tiene una baja densidad de estados superficiales [49], lo que hace que la banda se doble fácilmente a una capa absorbente de luz cuando las dos capas forman una heterounión. Esta alineación del nivel de energía juega un papel importante en la difusión de electrones desde la capa de absorción del sensibilizador a la capa de transporte de perovskita. La configuración del nivel energético puede acelerar los agujeros que se inyectan desde el CsPbBr ₃ capa de absorción sensibilizada a la capa de transferencia de perovskita híbrida, que coincide con los aumentos significativos de corriente en V negativo _GS con iluminación de luz (mostrado en la Fig. 2b). Mientras tanto, la heterounión en perovskita híbrida / CsPbBr ₃ La capa de agotamiento acelera la tasa de separación de pares de agujeros de electrones y reduce el tiempo de separación, lo que conduce a una respuesta rápida del orden de los cien microsegundos.

Esquema del diagrama de bandas de perovskita híbrida / CsPbBr ₃ heteroestructura

Conclusión

En conclusión, demostramos fotodetectores de perovskita altamente fotosensibles decorados con QD de perovskita. Este nuevo fotodetector se opera en una región de luz visible, que parece tener una alta capacidad de respuesta ( R =0.39 A / W), detectividad ( D * =5,43 × 10 ⁹ Jones) y movilidad del portador ( μ _p =172 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ y μ _n =216 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ). Mientras tanto, los dispositivos también muestran una respuesta rápida (tiempo de subida de 121 μs y tiempo de caída de 107 μs) y una mejor estabilidad y reproducibilidad de encendido y apagado con una iluminación de 405 nm. Sin embargo, por un lado, la amplitud de los electrodos (cientos de micrómetros) reduce el rendimiento de dispositivos como la capacidad de respuesta relacionada con la fotocorriente. Se deben realizar esfuerzos para reducir el ancho de separación de los electrodos para un transporte de carga eficiente con menos recombinación. Por otro lado, la corta vida útil (pocos días) del CCPD sigue siendo el cuello de botella severo en la aplicación comercial. Para mejorar la vida útil, los estudios adicionales se centrarán en la comprensión de los efectos del ligando en los dispositivos híbridos de perovskita-punto cuántico.

Disponibilidad de datos y materiales

Las conclusiones a las que se llega en este manuscrito se basan en los datos (texto principal y figuras) presentados y mostrados en este documento.

Abreviaturas

PD:

Fotodetectores

CPD:

CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x fotodetector de perovskita

CCPD:

CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x -CsPbBr ₃ fotodetector

QD:

Puntos cuánticos

FET:

Transistores de efecto de campo

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

SEM:

Morfología de electrones de barrido transversal

XRD:

Difracción de rayos X

NEP:

Potencia equivalente al ruido

G :

Ganar

Nanopartículas de plata flexibles y superhidrófobas Decoradas películas de nanocables de plata alineados como sustratos de dispersión Raman mejorados en la superficie Preparación y caracterización de micro-nanofibras PAN / PS de 3 cargas de AMT / Co (acac) con poros pasantes grandes