硫化鉛量子點的傳輸性能及其光電探測器件的研究.pdf

1、PbS量子點相比于其他半導(dǎo)體納米材料具有尺寸可調(diào)、多激子效應(yīng)以及更強(qiáng)的光譜吸收和激發(fā)等優(yōu)勢，因此越來越多的被用來制備新型納米光電器件，例如場效應(yīng)晶體管、光電探測器以及太陽能電池等，應(yīng)用前景越來越廣泛。但是這些器件常常顯示出了較低的響應(yīng)以及較差的性能。其主要原因是由于在合成PbS量子點時其表面通常會接入8-18個碳原子的有機(jī)配體以保持其穩(wěn)定性，而在制備器件時這往往又成為限制量子點的電導(dǎo)率以及載流子遷移率等電學(xué)性能的重要因素。通常的做法是引

2、入短鏈有機(jī)配體來交換長鏈有機(jī)配體以提高PbS量子點薄膜的電學(xué)性能。但是這種方法仍會造成量子點之間的間隙被短鏈有機(jī)配體所占據(jù)，從而限制了量子點之間載流子的傳輸，因此如何對PbS量子點表面進(jìn)行有效的修飾并且提高PbS量子點薄膜的傳輸性能成為制備高性能PbS量子點器件的關(guān)鍵所在。
　　本文從制備PbS量子點場效應(yīng)器件出發(fā)，利用不同的配體對PbS量子點進(jìn)行表面修飾，探究了不同配體對于PbS量子點電學(xué)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了不同結(jié)構(gòu)的

3、基于PbS量子點薄膜的高性能光電探測器，對于新型納米電子以及光電器件的構(gòu)建具有一定的理論意義，取得的成果如下:
　　1.通過熱注射法以及采用高活性六甲基二硅硫烷（TMS）作為硫源，制備了單分散性良好、形貌控制近似于球形并且直徑約為3nm的高質(zhì)量PbS量子點，實驗顯示了PbS量子點具有優(yōu)良的成膜性能，有利于薄膜器件的制備。利用所制備的PbS量子點組裝了底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管(FET)，并對其電學(xué)性能進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明利用短鏈有機(jī)

4、配體交換后的PbS量子點FET的導(dǎo)電類型為p型，其跨導(dǎo)約為0.075nS，載流子遷移率約為0.064 cm2 V-1 S-1，亞閾值擺幅大于102V/dec，閾值電壓大于40V，顯示出了柵極電壓對于PbS量子點FET進(jìn)行有限調(diào)控。通過實驗的方法來對半導(dǎo)體FET的性能測試，評價量子點的導(dǎo)電類型、載流子遷移率等傳輸性能，提供了一種除理論計算外通過實驗系統(tǒng)評價量子點電學(xué)性質(zhì)的全新的思路。
　　2.采用新型無機(jī)（原子）配體對PbS量子點進(jìn)

5、行表面修飾，并制備了薄膜FET來評價PbS量子點的傳輸性能，結(jié)果表明新型配體交換后PbS量子點的電學(xué)性能比短鏈有機(jī)配體交換有了較大幅度的提高。另外我們觀察到一個在不同薄膜場效應(yīng)器件柵極電壓掃描下PbS量子點導(dǎo)電型轉(zhuǎn)換的獨特現(xiàn)象。研究顯示PbS量子點薄膜在不同柵極電壓掃描方向下顯示了不同的導(dǎo)電類型（n/p型）。當(dāng)柵極電壓從負(fù)向正增加時，整個FET器件顯示了n型溝道晶體管特性，并且其載流子遷移率在10-1 cm2V-1 s-1左右。與此相對

6、應(yīng)的是，在柵極電壓由正到負(fù)減小時FET器件顯示了p型溝道的晶體管以及相似的載流子遷移率。通過基于密度泛函理論(DFT)計算以及x射線光電子能譜等實驗研究可以推導(dǎo)出一個自洽而合理的推測來解釋這一現(xiàn)象:即柵極電壓的變化會使得經(jīng)過配體交換后的PbS量子點的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變化，影響了了量子點的表面狀態(tài)以及與鹵素離子之間的相互作用從而導(dǎo)致量子點的導(dǎo)電類型隨之改變。這種發(fā)現(xiàn)顯示了柵極電壓可以對基于無機(jī)配體交換的量子點進(jìn)行導(dǎo)電類型的調(diào)控，為新型量

7、子點器件的制備提供了一定的理論支持。
　　3.利用無機(jī)（原子）配體交換法對PbS量子點薄膜的傳輸性能進(jìn)行改善并制備了具有高靈敏性的Au/PbS-QD/Au結(jié)構(gòu)光電導(dǎo)型光電探測器。整個器件在可見至近紅外光的范圍內(nèi)均有響應(yīng)，其響應(yīng)度為7.5×103AW-1，光電導(dǎo)增益為1.7×104，并且器件顯示出了超強(qiáng)的穩(wěn)定性，在空氣中放置4個月后，光電性能沒有衰減。特別的是，探測器顯示出了極好的高頻特性，在100KHz的高頻脈沖激光下仍具有良好的

8、響應(yīng)，器件的響應(yīng)/回復(fù)時間為～4μs/40μs，這比大多數(shù)基于量子點的探測器都要快得多。通過DFT計算得到配體交換前后量子點薄膜的電子云密度分布、能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度等數(shù)據(jù)來分析器件響應(yīng)速度快的原因，結(jié)果顯示無機(jī)配體交換法會對PbS量子點表面進(jìn)行修飾，改變了PbS量子點的能帶結(jié)構(gòu)，有效的改善了量子點與Au電極之間的接觸，增強(qiáng)了電極提取載流子的能力，導(dǎo)致薄膜的載流子遷移率大幅提高。這種發(fā)現(xiàn)顯示了PbS量子點在制備高頻探測器件的巨大潛力，顯示

9、了無機(jī)配體交換思路在構(gòu)建量子點器件中的重要作用。
　　4.成功制備了一種自驅(qū)動型Au/PbS-QD/In高性能肖特基型光電探測器。這種器件在超高頻下（大于1MHz）顯示出了極好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性，其響應(yīng)/回復(fù)時間為～0.8μs/3.2μs，比于Au/PbS-QD/Au光電導(dǎo)型光電探測器響應(yīng)速度快約10倍。整個器件顯示出了良好的整流特性，在暗場下其整流比在從-0.5V到+0.5 V電壓下為104，并且在光照情況下顯示出一定的光伏性能

10、。除此之外器件顯示出了較強(qiáng)的對于弱光的探測能力，其探測率約為1012Jones，噪聲電流＜1pAHz-1/2。實驗表明PbS量子點在制備高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)、高可探測率以及低噪聲電流的納米光電器件方面的巨大優(yōu)勢。
　　5.探索了PbS量子點與有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦CH3NH3PbI3進(jìn)行復(fù)合制備薄膜探測器的可能。制備了基于PbS-CH3NH3PbI3復(fù)合型薄膜的Au/PbS-CH3NH3PbI3/Au結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)型光電探測器。研究結(jié)果

11、表明器件在可見至近紅外光下均有較高的光電響應(yīng)。器件電導(dǎo)率約為8×103Scm-1，響應(yīng)度約為2×107AW-1，光電導(dǎo)增益為3×107，可探測率約9×1014 Jones。相較于Au/PbS-QD/Au光電探測器其光電性能有了極大的提高。另外器件在超高頻（大于1MHz）顯示出了極好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，其響應(yīng)/回復(fù)時間為～5μs/25μs，響應(yīng)速度較快。實驗結(jié)果表明PbS-CH3NH3PbI3復(fù)合薄膜彌補(bǔ)了單一PbS量子點器件的缺陷，為制