Adv. Funct. Mater.：使用TiO2 NTs/MAPbI3 QDs異質結構獲得具有寬帶相應的光電探測器

編輯部實習生 6年前 (2017-10-08) 5238瀏覽

【引言】

1D納米材料由于有較寬的光譜響應性能，在寬光譜開關、圖像傳感、存儲、通信等領域有著廣泛的應用前景。二氧化鈦（TiO₂）具有優異的化學穩定性和機械強度。與TiO₂納米線（NWs）相比，納米管(NTs)陣列具有較高的比表面積，展示出更加優良的光電性能，并且通過維度變化可以在很大范圍內實現性能調控。然而作為寬帶隙半導體材料，TiO₂ NTs的吸收限制在紫外范圍，限制了它在光電探測方面的應用。一些研究通過摻雜碳、氮或過渡金屬的方式提高TiO₂在可見光區的敏感度，但由于摻雜后的很難獲得1D結構，使得TiO₂的帶隙減小；另外，有一些研究通過在TiO₂ NTs中填充有機染料或聚合物的方式拓寬其吸收范圍，但這種過程難控、工藝復雜，同時，有機物的熱穩定性較差。因此，在不影響其他光電性能的條件下，實現較寬范圍的光電檢測仍然是一個挑戰。

MAPbI₃ QDs具有帶隙可調（3.1~1.7 eV）和熒光量子產率高等優點。當雜化鈣鈦礦和TiO₂組合時，二者導帶的差別可以提高的電荷分離效率。一些研究通過MAPbI₃ QDs敏化TiO₂ 納米棒，使得光電轉換效率達到9.4%；MAPbI₃/TiO₂ p–n薄膜具有較高的近紅外光響應穩定性。但是針對MAPbI₃ QDs敏化TiO₂ NTs的研究卻很少。除此之外，MAPbI₃在空氣中不穩定，對溫度敏感。因此，實現具有較高穩定性的MAPbI₃ QDs敏化TiO₂ NTs具有重要意義。

【成果簡介】

近期，華中科技大學翟天佑教授（通訊作者）等人在Advanced Functional Materials上發表了最新研究成果 “Decorating Perovskite Quantum Dots in TiO2 Nanotubes Array for Broadband Response Photodetector”。研究人員利用協同靜電紡絲技術制備水平結構的TiO₂ NWs和NTs。在沒有使用任何配體的情況下，通過旋涂工藝將量子點錨定在TiO₂納米結構表面。與純TiO₂ NTs結構相比，這種光電探測器能夠實現從紫外到全可見光譜的光電檢測，這與鈣鈦礦QDs和TiO₂的吸收光譜匹配。將該異質結器件暴露于潮濕空氣中72小時或者在100 ℃加熱，其光電性能幾乎沒有降低。研究人員使用這種結構制備了柔性透明寬帶光電探測器，探測器不僅在可見光范圍內具有較高的透過率（≈85％），而且經過多于200次連續彎曲后，仍能保持優異的穩定性。

【圖文導讀】

圖1：TiO₂ NTs/MAPbI₃結構制備工藝

(a) 協同靜電紡絲制備TiO₂ NTs陣列的示意圖。

(b-d) 在TiO₂ NTs陣列上旋涂MAPbI₃ QDs的示意圖。

(e) MAPbI₃ QDs敏化TiO₂ NTs的示意圖。

(f) MAPbI₃ QDs和TiO₂ NTs價帶和導帶的能級圖。

圖2：TiO₂ NTs/MAPbI₃異質結構的形貌

(a) TiO₂ NTs / MAPbI₃ QDs異質結構的光學照片。

(b)?TiO₂ NTs / MAPbI₃ QDs異質結構的SEM照片。

(e, f) TiO₂ NTs / MAPbI₃ QDs異質結構的HRTEM照片。

圖3：TiO₂ NTs / MAPbI₃ QDs的光學性能

(a) TiO₂ NTs / MAPbI₃ QDs-真空（TiO₂在真空中退火后的NTs / MAPbI₃ QDs異質結構），TiO₂ NTs/MAPbI₃ QDs異質結構，MAPbI₃ QDs和TiO₂ NTs的紫外-可見光譜。

(b) TiO₂ NTs / MAPbI₃ QDs-真空，TiO₂ NTs/MAPbI₃ QDs異質結構，MAPbI₃ QDs和TiO₂ NTs的熒光光譜。

圖4：基于TiO₂ NTs / MAPbI₃ QDs異質結構的光電探測器

(a) 分別在暗態和350 nm光照下的TiO₂ NTs和TiO₂ NTs/QDs的I-V曲線; 插圖是器件的光學照片，電極的寬度為500 μm，溝道的長度為10 μm，比例尺為100 μm。

(b) 分別在暗態和350 nm光照下的TiO₂ NTs/ MAPbI₃和TiO₂ NWs/ MAPbI₃的I-V對數形式曲線。

(d) 分別在暗態和350 nm光照下的TiO₂ NTs和TiO₂ NTs/QDs的I-t曲線。

(e) 分別在暗態和350 nm光照下的TiO₂ NTs/MAPbI₃ QDs和TiO₂ NWs / MAPbI₃的I-t曲線。

(f) 分別在暗態和700 nm光照下的TiO₂ NTs/MAPbI₃ QDs和TiO₂ NWs / MAPbI₃的I-t曲線。

圖5：基于TiO₂ NTs / MAPbI₃ QDs異質結構的光電響應

(a) 分別在1 V偏壓下的TiO₂ NTs /MAPbI₃ QDs和TiO₂ NTs的光譜響應的對數形式。

(b) 分別在暗態、300、350、400、500、600、700及700 nm光照下的TiO₂ NTs /MAPbI₃ QDs的I-V曲線。

(d) 在350 nm光照下的TiO₂ NTs/ MAPbI₃ QDs的I-t曲線。

(e) 在700 nm光照下的TiO₂ NTs/ MAPbI₃ QDs的I-t曲線。

(f) 分別在暗態和700 nm光照下的TiO₂ NTs / MAPbI₃ QDs和TiO₂ NWs / MAPbI₃的I-t曲線。在強度為26.8 mW cm-2的光密度及1 V偏壓下，TiO₂ NTs/MAPbI₃ QDs和TiO₂ NTs的響應度隨波長的對數曲線。

圖6：基于TiO₂ NTs/MAPbI₃ QDs, TiO₂ NTs和MAPbI₃ QDs 器件的穩定性

(a) TiO₂ NTs/MAPbI₃ QDs, TiO₂ NTs和MAPbI₃ QDs器件在潮濕的空氣中放置0～72 h在350 nm光照下的光響應。

(b) TiO₂ NTs/MAPbI₃ QDs, TiO₂ NTs和MAPbI₃ QDs器件在25°C, 50°C和100°C干燥的空氣中，在350 nm光照下的光響應。

(d) TiO₂ NTs/MAPbI₃ QDs, TiO₂ NTs和MAPbI₃ QDs器件在25°C, 50°C和100°C干燥的空氣中，在350 nm光照下的光電流。

【小結】

在該文中，研究人員地制備了一個基于協同靜電紡絲TiO₂ NTs /MAPbI₃ QDs異質結構的具有寬響應范圍的柔性透明光電探測器。與TiO₂ NTs光電探測器相比，異質結構的靈敏度在可見光范圍內的提高了三個數量級，并在紫外區域保持良好的性能。利用靜電紡絲技術，制備了TiO₂，保存容易，成本低廉; 進而結合MAPbI₃ QDs的優點，這種異質結構光電探測器可能有益于寬帶光電器件的發展。

文獻鏈接: Decorating Perovskite Quantum Dots in TiO₂ Nanotubes Array for Broadband Response Photodetector. (Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703115)

本文由材料人編輯魏昌庭編譯，朱曉秀審核，點我加入材料人編輯部。

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