一种基于钙钛矿甲胺铅溴氯单晶的蓝光光电探测器及蓝光危害指数仪

1.本发明属于光电探测器领域，具体涉及一种蓝光光电探测器及基于其的蓝光危害指数仪。


背景技术：

2.蓝光在人们日常生活中无处不在，比如手机、平板、电脑屏幕、led灯等电子设备发出的光线中都含有蓝光。蓝光对人眼的危害，主要表现在导致近视、白内障以及黄斑病变的眼睛病理危害和人体节律危害。因此，需要对蓝光危害进行探测，并对其危害等级进行划分，蓝光危害等级的划分是依据iec 62471在光源和灯具蓝光危害评估中的应用以及iec/tr62778针对iec 62471:2006标准的第4.3.3条和第4.3.4条所描述的视网膜蓝光危害的技术报告。
3.光电探测器是将一种将光信号装换为电信号的器件，广泛应用在军事和国民经济的各个领域，主要分为光电管、光电倍增管、光伏型探测器和光电导型探测器。其中光电导型探测器是利用光电导效应工作的，整块均匀的半导体材料在没有光照时具有一定的电阻，光照射时，当半导体吸收的能量大于材料的禁带宽度，就使电子从价带被激发到导带，产生自由电子和空穴，电子和空穴在外加电场的作用之下产生定向流动，从而产生光电流。如果想要对蓝光危害进行探测，就要找到一个非常适合于做蓝光光电探测器的半导体材料。
4.钙钛矿材料是一种十分优良的半导体材料，由于其载流子寿命长、吸收系数大、载流子扩散长度比较长、制备成本低廉、载流子迁移率高等优点而受到广大科研工作者的欢迎。钙钛矿材料的化学结构式为abx3，其中a、b、x分别代表一价的有机或者无机阳离子(铯，甲胺)、二价的金属离子(铅，铜)、卤素原子(溴，氯，碘)。最近几年以来，各种各样的钙钛矿材料被发现，包括一维钙钛矿纳米线、二维钙钛矿单晶薄膜和三维钙钛矿单晶都取得了突飞猛进的发展。除了新型高效率太阳能电池的应用，钙钛矿材料在新型发光二极管、新型钙钛矿纳米压电材料以及新型钙钛矿光电探测器上也展现出了巨大的商业应用前景。甲胺铅溴氯作为一个新型的钙钛矿材料，有着～2.6ev的超宽禁带宽度，对蓝光有较强的响应，且在空气中比较稳定，性能衰减较慢。因此探索基于甲胺铅溴氯的蓝光探测器具有重要的研究价值。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于钙钛矿甲胺铅溴氯单晶的蓝光光电探测器及基于其的蓝光危害指数仪，旨在实现光源对人眼视网膜产生的蓝光危害等级的准确测定。
6.本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：
7.本发明首先公开了一种基于钙钛矿甲胺铅溴氯单晶的蓝光光电探测器，其特点在于：所述蓝光光电探测器包括mapbbr2cl单晶，在所述mapbbr2cl单晶表面间隔蒸镀有一对金
电极，在所述mapbbr2cl单晶外罩有sto(srtio3)单晶基片。
8.本发明所述蓝光光电探测器的制备方法为：
9.步骤1、将pbcl2、pbbr2和mabr溶于dmso和dmf中形成前驱体饱和溶液，然后通过反溶剂饱和蒸发结晶法在溶液中直接生长获得mapbbr2cl单晶，具体为：将2.78g pbcl2、3.67gpbbr2和2.24gmabr加入到0.2ml dmso和1.4ml dmf的混合液中，45℃加热搅拌20～40min，通过0.22μm的有机过滤器过滤，密封以防止溶剂挥发，40～60℃保温30～48h，生成mapbbr2cl单晶。
10.步骤2、在所述mapbbr2cl单晶上表面通过电子束蒸镀一对金电极，从而形成光电导结构；两金电极间隔设置，中间形成导电沟道。
11.步骤3、在所述mapbbr2cl单晶外罩上一层sto单晶基片，即获得蓝光光电探测器。
12.本发明还公开了一种用于检测发光光源的蓝光危害等级的蓝光危害指数仪，其包括：
13.蓝光光电探测器，为上述的基于钙钛矿甲胺铅溴氯单晶的蓝光光电探测器，用于测试发光光源的蓝光辐照度，并产生相应光电流信号；
14.光线聚焦装置，用于将发光光源的光线直射至所述蓝光光电探测器上；
15.光电探测后端电路，用于将所述蓝光光电探测器产生的光电流信号转换为蓝光加权辐亮度，并获得发光光源的蓝光危害等级；
16.显示模块，用于显示所述光电探测后端电路所获取到的蓝光危害等级。
17.进一步地，所述光线聚焦装置为黑色无底圆筒，内筒壁上涂有黑色无光漆、上表面开有视场孔；所述光线聚焦装置罩设在所述蓝光光电探测器外，并使视场孔位于蓝光光电探测器的正上方。
18.进一步地，所述光电探测后端电路包括：
19.运算放大器，用于将蓝光光电探测器产生的光电流信号放大成模拟电压信号，可采用lmv358d芯片；
20.模数转换器，用于将运算放大器获取的模拟电压信号转换成数字信号，可采用xpt2046芯片；
21.中央处理器，用于通过模数转换器获取的数字信号计算出蓝光加权辐亮度，从而划分出发光光源的蓝光危害等级，可采用stc89c52rc芯片。
22.更进一步地，所述蓝光危害等级的获取方法为：
23.以待测光源照射蓝光光电探测器，利用蓝光光电探测器所产生的光电流信号i标定待测光源的辐照度e；
24.令光线聚焦装置上视场孔的直径为d、面积为a＝(d/2)2*π，视场孔与其正下方蓝光光电探测器的距离为h；
25.计算待测光源的辐亮度l：l＝e*h2/a；
26.从而计算待测光源的蓝光加权辐亮度lb：lb＝∫
λ
b(λ)l(λ)dλ，其中b(λ)是蓝光危险加权函数，λ为蓝光区间的波长(400～500nm)；
27.根据蓝光加权辐亮度lb，按照iec/tr62778标准划分发光光源的蓝光危害等级。
28.所述的蓝光加权辐亮度lb是用iec62471中定义的蓝光光谱加权函数对初始光源的亮度进行光谱加权的辐亮度。
29.iec/tr 62778推荐在200mm、0.011rad测量来确定适宜的rg1/2的边界条件。因此，所述视场孔与所述光电探测器形成的立体角φ＝d/h，设定为0.011rad。d设置为2.2mm、h设置为200mm。
30.所述蓝光危害等级划分标准为：蓝光加权辐亮度lb值在0～100w/(m2·
sr)为rg0(豁免级)，在100～10000w/(m2·
sr)为rg1(初危险级)，在10000～4000000w/(m2·
sr)为rg2(中危险级)。在iec/tr62778标准中，希望不使用蓝光危害大于rg2的光源。
31.与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
32.1、本发明的蓝光光电探测器是以mapbbr2cl单晶与au电极形成的光电导结构为核心，利用mapbbr2cl本身带隙决定对光的吸收峰，波长大约在480nm，使器件对蓝光有较好的吸收能力，从而使器件展现出高灵敏度的优势。mapbbr2cl单晶加sto单晶基片的光谱响应特性曲线的峰值波长区间是380nm-500nm，响应度是是一条平滑的直线，对探测的蓝光有更好的响应，响应度可以达到10ma/w。
33.2、本发明mapbbr2cl单晶的制备方法，提升了该钙钛矿的吸光面积，大大增加了钙钛矿对蓝光的吸收能力。且相比于其它的蓝光探测材料，本发明采用的mapbbr2cl钙钛矿制备工艺简单、成本低廉，很适合大面积投入生产。
34.3、本发明的探测器商用价值高，稳定性较好。
35.4、本发明的蓝光危害等级划分采用iec/tr62778标准，其是专门对光源和灯具的蓝光危害进行评估的标准，更加准确。
36.5、本发明的蓝光危害指数仪可准确快速的获取到发光光源的蓝光危害等级，一体化程度高、性价比高、方便携带、操作简单，测试数据符合国际蓝光危害标准，适合对日常生活的灯具进行蓝光危害的检测。。
37.6、本发明的蓝光危害指数仪中：中央处理器采用stc89c52rc芯片作为主控芯片，其应用较为广泛，是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系统可编程flash存储器。运算放大器采用的是双运算放大器lmv358d芯片，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关，它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。模数转换器采用的是xpt2046芯片，它是一种内含12位分辨率125khz转换速率的逐步逼近型模数转换器(sar adc)，包含了采样/保持、模数转换、串口数据输出等功能。
附图说明
38.图1为本发明蓝光光电探测器的结构示意图。
39.图2为本发明蓝光光电探测器与光线聚焦装置的放置示意图。
40.图3为本发明蓝光危害指数仪的示意图。
41.图4为本发明实施例1所制备的蓝光光电探测器在1.3μw/cm2至1.3mw/cm2的光照下的时间响应曲线。
42.图5(a)为本发明实施例1所制备的蓝光光电探测器与不加sto单晶基片的mapbbr2cl单晶的光谱响应曲线对比；图5(b)为本发明实施例1所制备的蓝光光电探测器的光谱响应曲线和蓝光光谱的对比。
43.图6为本发明实施例1所制备的蓝光光电探测器在不同辐照度下的光电流。
44.图7为本发明实施例1所制备的蓝光光电探测器的蓝光危险加权函数。
45.图8为本发明实施例1制得的蓝光光电探测器的mapbbr2cl单晶的吸收曲线。
具体实施方式
46.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
47.实施例1
48.如图1所示，本实施例基于钙钛矿甲胺铅溴氯单晶的蓝光光电探测器，包括mapbbr2cl单晶，在mapbbr2cl单晶表面间隔蒸镀有一对金电极，在mapbbr2cl单晶外罩有sto单晶基片。蓝光光电探测器的制备方法为：
49.步骤1、将2.78g pbcl2、3.67gpbbr2和2.24gmabr加入到0.2ml dmso和1.4ml dmf的混合液中，45℃加热搅拌30min，通过0.22μm的有机过滤器过滤，密封，50℃保温40h，生成长宽高为3mm
×
3mm
×
1mm的长方体mapbbr2cl单晶。
50.步骤2、在所述mapbbr2cl单晶上表面通过电子束蒸镀一对厚度为50nm金电极，从而形成光电导结构；两金电极间隔设置，中间形成宽3mm的导电沟道。
51.步骤3、在mapbbr2cl单晶外罩上一层sto单晶基片，即获得蓝光光电探测器。
52.如图2所示，本实施例还基于上述的蓝光光电探测器构建了一种蓝光危害指数仪，其包括：
53.蓝光光电探测器，用于测试发光光源的蓝光辐照度，并产生相应光电流信号；
54.光线聚焦装置，用于将发光光源的光线直射至蓝光光电探测器上；
55.光电探测后端电路，用于将蓝光光电探测器产生的光电流信号转换为蓝光加权辐亮度，并获得发光光源的蓝光危害等级；
56.显示模块，用于显示光电探测后端电路所获取到的蓝光危害等级。
57.具体的，如图3所示，光线聚焦装置为黑色无底圆筒，内筒壁上涂有黑色无光漆、上表面开有视场孔；光线聚焦装置罩设在蓝光光电探测器外，并使视场孔位于蓝光光电探测器的正上方。令光线聚焦装置上视场孔的直径为d、面积为a＝(d/2)2*π，视场孔与其正下方蓝光光电探测器的距离为h；iec/tr 62778推荐在200mm、0.011rad测量来确定适宜的rg1/2的边界条件。因此，视场孔与光电探测器形成的立体角φ＝d/h，设定为0.011rad。d设置为2.2mm、h设置为200mm。
58.具体的，光电探测后端电路包括：运算放大器，用于将蓝光光电探测器产生的光电流信号放大成模拟电压信号，本实施例采用lmv358d芯片；模数转换器，用于将运算放大器获取的模拟电压信号转换成数字信号，本实施例采用xpt2046芯片；中央处理器，用于通过模数转换器获取的数字信号计算出蓝光加权辐亮度，从而划分出发光光源的蓝光危害等级，本实施例采用stc89c52rc芯片。蓝光光电探测器的两金电极用银丝作为电极引线引出，一端电极与运算放大器相连，另一端与5v电压相连。后端电路中各元件的连接方式采用标准方法，可满足本发明的检测需要即可。
59.本实施例，蓝光危害等级的获取方法为：
60.以待测光源照射蓝光光电探测器，利用蓝光光电探测器所产生的光电流信号i标定待测光源的辐照度e；可建立i与e的标准关系曲线。
61.计算待测光源的辐亮度l：l＝e*h2/a；
62.从而计算待测光源的蓝光加权辐亮度lb：lb＝∫
λ
b(λ)l(λ)dλ，其中b(λ)是蓝光危险加权函数，λ为蓝光区间的波长。
63.根据蓝光加权辐亮度lb，按照iec/tr62778标准划分发光光源的蓝光危害等级：蓝光加权辐亮度lb值在0～100w/(m2·
sr)为rg0(豁免级)，在100～10000w/(m2·
sr)为rg1(初危险级)，在10000～4000000w/(m2·
sr)为rg2(中危险级)。在iec/tr62778标准中，希望不使用蓝光危害大于rg2的光源。
64.图4为本实施例所制备的蓝光光电探测器在430nm、1.3μw/cm2至1.3mw/cm2的光照下的时间响应曲线，可以看出该器件的光电流随着入射光强度的增加而增加。
65.图5(a)为本实施例所制备的蓝光光电探测器与不加sto单晶基片的mapbbr2cl单晶的光谱响应曲线对比，可以看到探测器的响应度高且响应曲线水平。图5(b)为本实施例所制备的蓝光光电探测器的光谱响应曲线和蓝光光谱的对比，可以看到本实施例所得探测器的探测范围是蓝光波段。
66.图6为本实施例所制备的蓝光光电探测器在不同辐照度下的光电流，用来标定待测光源的辐照度。
67.图7为本实施例所制备的蓝光光电探测器的蓝光危险加权函数，通过与辐亮度积分求得蓝光加权辐亮度。
68.图8为本实施例所制备的蓝光光电探测器的mapbbr2cl单晶的吸收曲线，480nm左右的吸收峰为mapbbr2cl单晶的吸收峰。
69.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。