中科院化學所Adv. Mater.：雙層PbS量子點助力高性能光電探測

【引言】

光電探測廣泛應用于成像、通信和生物傳感等領域。市場上的光電探測器主要是基于硅材料和其他III–V族半導體材料，但是這些材料面臨著成本高，不易柔性化等問題。PbS量子點具有帶隙可調范圍寬（0.6~1.6 eV）、摩爾吸光系數高（10⁶ M^-1 cm^-1），制備工藝簡單以及穩定性好等優點，因此被認為是新一代柔性光電探測器的優秀候選材料。現有的單層PbS量子點光電探測器面臨著漏電流大、開關比低、響應速度慢等問題。也有報道將金屬納米粒子、有機材料和石墨烯等材料與PbS量子點結合，形成雜化型光電探測器件，此類方法有效地增強了器件的響應度，但也帶來了非常高的暗電流等問題，使得器件的性能無法全面提升。因此，如何克服單層PbS量子點和雜化PbS量子點光電探測器面臨的問題是一個亟待解決的問題。

【成果簡介】

近日，中科院化學所王吉政、胡勁松教授聯合華東理工大學特聘教授鐘新華（共同通訊作者）在Adv. Mater.上發表了一篇題為 “Bilayer PbS Quantum Dots for High-Performance Photodetectors”的文章。在該項成果中，研究人員提出了一種雙層PbS量子點結構的光電探測器，從而全面地提升了PbS量子點型光電探測器的性能參數；構造出了一種具有響應速度快、LDR寬、探測率高等優點的PbS量子點型光電探測器。PbS雙層量子點不受襯底約束，既可以生長在玻璃上，又可以生長在PI膜上，克服了傳統光電探測材料的難柔性化缺點。

【圖文導讀】

文章主要對比研究了三種不同結構的器件，分別是PbS量子點溶于TBAI配體的單層器件，PbS量子點溶于EDT配體的單層器件，以及將這兩種單層量子點結合在一起的雙層量子點器件。研究發現將兩種單層PbS量子點結合成的雙層量子點器件性能得到顯著提高。

圖1：PbS量子點的TEM表征圖、吸收譜、UPS、以及能級分布

(a) 油酸修飾過的PbS量子點的TEM圖；

(b) 原始油酸修飾的PbS量子點、PbS-TBAI量子點和PbS-EDT量子點的吸收譜；

(c) PbS-TBAI量子點薄膜的紫外光電子能譜（UPS），插圖為二次電子截止區放大圖；

(d) PbS-EDT量子點薄膜的紫外光電子能譜（UPS），插圖為二次電子截止區放大圖；

(e) PbS-TBAI和PbS-EDT的能級分布圖，虛線為費米能級，上邊實線為導帶底下邊實線為價帶頂。

圖2：PbS量子點器件結構示意圖、能帶圖以及光暗條件下的I-V曲線

(a) 單層PbS-TBAI器件結構示意圖；

(b) 單層PbS-EDT器件結構示意圖；

(c) 雙層PbS-TBAI/PbS-EDT器件結構示意圖；

(d) 雙層PbS-TBAI/PbS-EDT結構能帶示意圖；

(e) 三種器件的暗電流I-V曲線；

(f) 三種器件的光電流I-V曲線，測試條件：白光，0.2mW cm^-2。

圖3：PbS量子點器件的電流開關響應曲線以及響應時間曲線

(a, b, c) a, b, c分別對應三種器件的I-T曲線，通過規定的頻率調節照射光的開關；

(d, e, f) d, e, f分別對應三種器件的上升下降時間曲線；

測試條件：10V偏壓，0.20 mW cm^?2白光照射。

圖4：PbS量子點器件不同波長下對應的光電流、響應度和比探測率

(a) 三種器件不同波長下對應光電流曲線；

(b) 三種器件不同光波長下對應的響應度曲線；

(c) 三種器件不同光波長下的比探測率曲線；

測試條件：光功率10.6μW cm^-2，偏壓為10V。

圖5：PbS量子點器件信噪比、光電流與光功率密度的關系

(a) 三種器件在不同光能量密度下的信噪比；

(b) 三種器件在不同光能量密度下的光電流曲線。

圖6：柔性器件實物圖，光電流響應與光功率密度的關系

(a) 制備在PI膜上的雙層PbS量子點柔性器件實物圖；

(b) 柔性器件在不同光強下的光電流變化圖，測試條件：10V偏壓。

【小結】

研究者利用兩種單層PbS量子點進行一個簡單的組合，制備出雙層PbS量子點器件，從而有效的提升了光電探測器的性能參數。這一方法構思巧妙，制備工藝簡單可行。為PbS量子點光電探測器件的研究提供了一個全新的思路。

文獻鏈接：Bilayer PbS Quantum Dots for High-Performance Photodetectors(Adv. Mater.,2017,DIO: 10.1002/adma.201702055)

本文由材料人新人編輯部劉于金編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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