基于卤素钙钛矿-硼掺杂硅的异质结材料及光电位敏传感器的制备方法

基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅的异质结材料及光电位敏传感器的制备方法
技术领域
1.本发明属于传感器领域，具体涉及基于异质结侧向光伏效应的异质结材料及其在位敏传感器中的应用。


背景技术：

2.半导体异质结中的光生电子
‑
空穴对被内建电场分离后分别移动到异质结的两侧，当点状光作为激发源时就会使得在光照区域的光生载流子浓度远远高于其他位置，在光照区域与非光照区域之间出现了浓度梯度并形成了准费米能级差，导致了光生载流子的侧向扩散，产生侧向光伏。侧向光伏电压的大小与光照位置间存在着高度的线性依赖关系，形成光电位敏传感器。基于侧向光伏效应的光电位敏传感器具有信号探测直接且灵敏度高、信号连续输出、无工作盲区、结构简单和性价比高等优点，广泛应用于空间探测、生物医药、精密仪器等诸多方面。
3.目前关于光电位敏传感器的研究重心就在于如何增强其探测灵敏度并且保证输出有着良好的非线性度。基于卤素钙钛矿化合物的太阳能电池具有开路电压高、短路电流大的优点备受关注。高的开路电压有利于实现更高的侧向光伏进而提高光电位敏传感器的探测灵敏度，但尚未作为光电位敏传感器材料进行研究，这主要是由于高质量的超薄卤素钙钛矿化合物与半导体的制备工艺比较复杂。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决现有光电位敏传感器的响应速度较慢、位置灵敏度不高的问题，而提供一种基于卤素钙钛矿半导体异质结材料及其制备方法，并在光电位敏传感器中应用。
5.本发明基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅的异质结材料具有p
‑
n结结构，在n型硼掺杂硅基片上采用激光脉冲沉积有厚度为150～250nm的p型卤素钙钛矿溴化物层，其中所述的p型卤素钙钛矿溴化物为cssnbr3或cspbbr3。
6.本发明基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅的异质结材料的传感器制备方法按下列步骤实现：
7.一、按照化学计量比为1：1将csbr与溴化物粉末充分研磨，混合粉末压片成型，然后在氩气气氛中以210
‑
550℃的温度进行烧结处理，得到卤素钙钛矿靶材；
8.二、对硼掺杂硅基片进行超声清洗，得到清洗后的硼掺杂硅基片；
9.三、将本底真空抽至2.5～3.5
×
10
‑4pa，以清洗后的硼掺杂硅基片作为沉积衬底，调节硼掺杂硅基片的温度为200
‑
320℃，采用准分子激光器辐照卤素钙钛矿靶材，控制单脉冲能量为100
‑
250mj，脉冲频率为3
‑
10hz进行脉冲激光沉积卤素钙钛矿薄膜，沉积结束后自然冷却，得到卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料；
10.四、分别在卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料中的卤素钙钛矿薄膜表面和硼掺杂
硅基片的背面镀上电极，得到基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料的传感器；
11.其中步骤一所述的溴化物为pbbr2或snbr2。
12.本发明将基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料作为传感元件应用于位敏传感器中。
13.本发明采用n型半导体硼掺杂硅单晶作为基片，以p型半导体卤素钙钛矿作为薄膜材料以形成p
‑
n结，制备得到位敏传感器。由于卤素钙钛矿化合物的太阳能电池具有高的开路电压和大的短路电流，这有利于实现更高的侧向光伏进而提高光电位敏传感器的探测灵敏度。
14.本发明基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅的异质结材料及在位敏传感器的应用包括以下有益效果：
15.1、卤素钙钛矿溴化物化学性质稳定，耐空气腐蚀；
16.2、本发明两电极距离在1.0mm下达到了位置灵敏度880mv/mm，其中测试使用的激光功率为10mw，激光波长为405nm，激光光斑直径约为0.1mm；
17.3、本发明得到的自驱动光电位敏传感器的结构简单。自驱动光电位置传感器侧向光伏响应的上升沿为0.3μs，半峰宽在1.2μs左右，是目前光电响应最快的光电位敏传感器。
附图说明
18.图1为实施例一在硼掺杂硅基片上生长的卤素钙钛矿cssnbr3薄膜的x光衍射谱图；
19.图2为实施例一在不同波长激光下侧向光伏与光斑位置间的关系图，其中
△
代表405nm激光照射，
○
代表635nm激光照射，
□
代表808nm激光照射；
20.图3为实施例一得到的光电位敏传感器在有负载时侧向光伏的时间响应测试曲线图，负载为5.1kω。
21.图4为实施例二在硼掺杂硅基片上生长的卤素钙钛矿cspbbr3薄膜的x光衍射谱图；
22.图5为实施例二在波长为405nm激光下侧向光伏与光斑位置间的关系图；
23.图6为实施例二得到的光电位敏传感器在有负载时侧向光伏的时间响应测试曲线图，负载为15kω。
具体实施方式
24.具体实施方式一：本实施方式基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅的异质结材料具有p
‑
n结结构，在n型硼掺杂硅基片上采用激光脉冲沉积有厚度为150～250nm的p型卤素钙钛矿溴化物层，其中所述的p型卤素钙钛矿溴化物为cssnbr3或cspbbr3。
25.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述硼掺杂硅基片的电阻率为1
‑
10ω*cm。
26.具体实施方式三：本实施方式基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅的异质结材料的传感器制备方法按下列步骤实施：
27.一、按照化学计量比为1：1将csbr与溴化物粉末充分研磨，混合粉末压片成型，然后在氩气气氛中以210
‑
550℃的温度进行烧结处理，得到卤素钙钛矿靶材；
28.二、对硼掺杂硅基片进行超声清洗，得到清洗后的硼掺杂硅基片；
29.三、将本底真空抽至2.5～3.5
×
10
‑4pa，以清洗后的硼掺杂硅基片作为沉积衬底，调节硼掺杂硅基片的温度为200
‑
320℃，采用准分子激光器辐照卤素钙钛矿靶材，控制单脉冲能量为100
‑
250mj，脉冲频率为3
‑
10hz进行脉冲激光沉积卤素钙钛矿薄膜，沉积结束后自然冷却，得到卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料；
30.四、分别在卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料中的卤素钙钛矿薄膜表面和硼掺杂硅基片的背面镀上电极，得到基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料的传感器；
31.其中步骤一所述的溴化物为pbbr2或snbr2。
32.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中所述的溴化物粉末的粒径为100～200nm。
33.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是步骤一中烧结处理的时间为2～10h。
34.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是步骤二中将硼掺杂硅基片依次置于去离子水、丙酮和无水乙醇中进行超声清洗。
35.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是步骤二中硼掺杂硅基片的厚度为0.3
‑
0.5mm。
36.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是步骤三中调节硼掺杂硅基片的温度为200℃。
37.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是步骤三中采用准分子激光器辐照卤素钙钛矿靶材，控制单脉冲能量为200
‑
250mj，脉冲频率为5hz进行脉冲激光沉积卤素钙钛矿薄膜。
38.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是步骤四采用磁控溅射法分别在卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料中的卤素钙钛矿薄膜表面和硼掺杂硅基片的背面镀上金电极。
39.具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是所述金电极的厚度为10nm。
40.实施例一：本实施例基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅的异质结材料的传感器制备方法按下列步骤实施：
41.一、按照化学计量比为1：1将csbr粉末与snbr2粉末充分研磨，混合粉末经模具压片成φ13的圆片，然后在氩气气氛中以210℃的温度进行烧结处理10h，自然降温后再次研磨混合，压片成φ13的圆片，再在210℃下烧结处理10h，得到纯相的cssnbr3靶材；
42.二、将硼掺杂硅基片依次置于去离子水、丙酮和无水乙醇中分别超声清洗20min，得到清洗后的硼掺杂硅基片；
43.三、将本底真空抽至3
×
10
‑4pa，以清洗后的硼掺杂硅基片作为沉积衬底，调节硼掺杂硅基片的温度为200℃，采用准分子激光器辐照cssnbr3靶材，控制单脉冲能量为250mj，脉冲频率为5hz进行脉冲激光沉积厚度为250nm的cssnbr3薄膜层，沉积结束后自然冷却，得到cssnbr3‑
si p
‑
n结；
44.四、采用磁控溅射法分别在卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料中的卤素钙钛矿薄膜表面和硼掺杂硅基片的背面镀上10nm厚的金电极，电极的直径均为0.1mm，得到基于
cssnbr3‑
si异质结材料的传感器。
45.本实施例步骤二所述的硼掺杂硅基片商购自合肥科晶材料技术有限公司，步骤三所述的准分子激光器为德国compex,krf气体激光器，λ＝248nm。
46.本实施例得到的基于cssnbr3‑
si异质结材料的传感器能应用作为位敏传感器。
47.实施例一制备得到的cssnbr3‑
si自驱动紫外光电位敏传感器在不同波长激光下的侧向光伏值随着光斑位置的变化，如图2所示。器件的光伏值与光斑位置间具有良好的线性关系，其位置灵敏度最大在635nm波长、10mw功率的激光照射下，达到了250mv/mm；在保持相同的激光功率下，波长为405nm和808nm激光照射下位置灵敏度分别为125mv/mm和180mv/mm。
48.异质结光伏瞬态响应特性的测试：
49.利用532nm波长、10mw功率的纳秒脉冲激光斑点汇聚在自驱动位敏传感器的薄膜电极上一个直径约0.1mm的点上，将两金电极制备在薄膜表面，电极距离为1mm，电极直径为0.1mm。两个电极通过导线连接在锁相放大器的输入端，输出端连接型号为tektronix dpo 5054数字式示波器，在cssnbr3表面两电极上并联可调负载电阻，测试cssnbr3‑
si结构侧向光伏的时间响应特性。
50.对实施例一得到的自驱动位敏传感器所测量的光伏响应的上升沿约为0.3μs，半峰宽为1.6μs，该光电位敏传感器在有负载时侧向光伏的时间响应测试曲线如图3所示。
51.实施例二：本实施例基于卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅的异质结材料的传感器按下列步骤实施：
52.一、按化学计量比为1：1将csbr粉末和pbbr2粉末混合后经模具压片成φ13的圆片，然后在550℃下氩气气氛烧结处理2h，自然降温后得到纯相的cspbbr3靶材；
53.二、将硼掺杂硅基片依次置于去离子水、丙酮和无水乙醇中分别超声清洗20min，得到清洗后的硼掺杂硅基片；
54.三、将本底真空抽至3
×
10
‑4pa，以清洗后的硼掺杂硅基片作为沉积衬底，调节硼掺杂硅基片的温度为200℃，采用准分子激光器辐照cspbbr3靶材，控制单脉冲能量为100mj，脉冲频率为5hz进行沉积厚度为150nm的cspbbr3薄膜层，自然冷却到室温状态，得到cspbbr3‑
si p
‑
n结；
55.四、采用磁控溅射法分别在卤素钙钛矿
‑
硼掺杂硅异质结材料中的卤素钙钛矿薄膜层表面和硼掺杂硅基片的背面镀上10nm厚的金电极，电极的直径均为0.1mm，得到基于cspbbr3‑
si异质结材料的传感器。
56.本实施例步骤二所述的硼掺杂硅基片商购自合肥科晶材料技术有限公司，步骤三所述的准分子激光器为德国compex,krf气体激光器，λ＝248nm。
57.本实施例得到的基于cspbbr3‑
si异质结材料的传感器能应用作为位敏传感器。
58.实施例二制备得到的cspbbr3‑
si自驱动紫外光电位敏传感器在不同波长激光下的侧向光伏值随着光斑位置的变化，如图5所示。器件的光伏值与光斑位置间具有良好的线性关系，其位置灵敏度最大在405nm波长、10mw功率的激光照射下，达到了880mv/mm。
59.异质结光伏瞬态响应特性的测试：
60.利用266nm波长、10mw功率的纳秒脉冲激光斑点汇聚在自驱动位敏传感器的薄膜电极上一个直径约0.1mm的点上，将两金电极制备在薄膜表面，电极距离为1mm，电极直径为
0.1mm。两个电极通过导线连接在锁相放大器的输入端，输出端连接型号为tektronix dpo 5054数字式示波器，在cspbbr3表面两电极上并联可调负载电阻，测试cspbbr3‑
si结构侧向光伏的时间响应特性。
61.对实施例二得到的自驱动位敏传感器所测量的光伏响应的上升沿约为0.3μs，半峰宽为1.2μs，该光电位敏传感器在有负载时侧向光伏的时间响应测试曲线如图6所示。