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體納米材料具有尺寸可調、多激子效應以及更強的光譜吸收和激發(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，例如場效應晶體管、光電探測器以及太陽能電池等，應用前景越來越廣泛。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率以及載流子遷移率等電學性能的重要因素。通常的做法是引

2、入短鏈有機配體來交換長鏈有機配體以提高PbS量子點薄膜的電學性能。但是這種方法仍會造成量子點之間的間隙被短鏈有機配體所占據，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量子點器件的關鍵所在。
　　本文從制備PbS量子點場效應器件出發(fā)，利用不同的配體對PbS量子點進行表面修飾，探究了不同配體對于PbS量子點電學性能的影響，并在此基礎上發(fā)展了不同結構的

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構的場效應晶體管(FET)，并對其電學性能進行測試。測試結果表明利用短鏈有機

4、配體交換后的PbS量子點FET的導電類型為p型，其跨導約為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進行有限調控。通過實驗的方法來對半導體FET的性能測試，評價量子點的導電類型、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)評價量子點電學性質的全新的思路。
　　2.采用新型無機（原子）配體對PbS量子點進

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，結果表明新型配體交換后PbS量子點的電學性能比短鏈有機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器件柵極電壓掃描下PbS量子點導電型轉換的獨特現象。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電類型（n/p型）。當柵極電壓從負向正增加時，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、應的是，在柵極電壓由正到負減小時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出一個自洽而合理的推測來解釋這一現象:即柵極電壓的變化會使得經過配體交換后的PbS量子點的能帶結構發(fā)生相應的變化，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致量子點的導電類型隨之改變。這種發(fā)現顯示了柵極電壓可以對基于無機配體交換的量子點進行導電類型的調控，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（原子）配體交換法對PbS量子點薄膜的傳輸性能進行改善并制備了具有高靈敏性的Au/PbS-QD/Au結構光電導型光電探測器。整個器件在可見至近紅外光的范圍內均有響應，其響應度為7.5×103AW-1，光電導增益為1.7×104，并且器件顯示出了超強的穩(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，器件的響應/回復時間為～4μs/40μs，這比大多數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、能帶結構以及態(tài)密度等數據來分析器件響應速度快的原因，結果顯示無機配體交換法會對PbS量子點表面進行修飾，改變了PbS量子點的能帶結構，有效的改善了量子點與Au電極之間的接觸，增強了電極提取載流子的能力，導致薄膜的載流子遷移率大幅提高。這種發(fā)現顯示了PbS量子點在制備高頻探測器件的巨大潛力，顯示

9、了無機配體交換思路在構建量子點器件中的重要作用。
　　4.成功制備了一種自驅動型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性和穩(wěn)定性，其響應/回復時間為～0.8μs/3.2μs，比于Au/PbS-QD/Au光電導型光電探測器響應速度快約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、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-無機雜化鈣鈦礦CH3NH3PbI3進行復合制備薄膜探測器的可能。制備了基于PbS-CH3NH3PbI3復合型薄膜的Au/PbS-CH3NH3PbI3/Au結構的光電導型光電探測器。研究結果

11、表明器件在可見至近紅外光下均有較高的光電響應。器件電導率約為8×103Scm-1，響應度約為2×107AW-1，光電導增益為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)定性和可重復性，其響應/回復時間為～5μs/25μs，響應速度較快。實驗結果表明PbS-CH3NH3PbI3復合薄膜彌補了單一PbS量子點器件的缺陷，為制