一种光电探测器及其制备方法

本发明属于光电探测领域，具体为一种光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、光电探测器是利用光子效应或光热效应，能将难以识别的光信号转化为易于分辨的电信号，可广泛应用于医学成像、射线测量、工业自动控制等各领域。宽带光电探测器目前在主流光电探测器中占主导地位，但随着新兴应用的不断拓展，对高性能特定波长光谱光的高性能电探测器的需求越来越大，因而开发一种同时实现灵活调控光谱探测识别波长、响应效率高的光电探测器件优化方案，成为推动光电探测器进一步发展的必备环节。

2、有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿是直接带隙半导体，具有吸收系数大，载流子迁移率高，激子束缚能低等优异的光电性能，是光电探测器中功能层材料的不二之选。其中，多晶钙钛矿具备带隙可调控、溶液法兼容等优势，使其在光电探测领域展现出广阔的应用前景。然而，其低响应和低吸收效率仍然严重阻碍高性能钙钛矿光电探测器的进一步发展。

3、为了解决这一难题，li等人利用表面等离子体极化激元(spps)现象在铯铅溴(cspbbr3)钙钛矿光电探测器中实现了探测器件的快速响应和高探测率(1.2×1013jones)。但是利用spps现象调控器件性能，需要钙钛矿与金属电极界面处具有规则结构分布(光栅、纳米棒等)，但特定规则微结构的制备过程复杂且成本高昂。因此，基于金属纳米粒子的局部表面等离子体共振(lspr)现象，可以更好地进行光学操纵，局域光学截面可以比金属粒子的物理尺寸提升数个数量级，最终诱导实现入射光吸收效率的有效提升。

4、近期，ko等人将金纳米颗粒引入钙钛矿器件中，实现具有热电子转移和高效光捕获特性的光捕获优化，最终实现了高探测率(1.31×1013jones)和高响应度(5.9×104aw-1)。然而，金属混合物表面的缺陷位点会捕获光生载流子，引起严重的电荷复合，使得最终器件工作效率不升反降。上述研究所报道的钙钛矿光电探测器件都仅仅针对部分缺陷提出优化策略，无法实现钙钛矿光电探测器件性能的整体提升。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种有效提升不同波段探测能力、有效阻止光生载流子在金属纳米颗粒表面天然缺陷位点的复合的光电探测器，本发明的另一目的是提供一种成本低、响应速度快的光电探测器的制备方法。

2、技术方案：本发明所述的一种光电探测器，包括玻璃衬底、银纳米颗粒涂层、su-8负性光刻胶层、微区电极、钙钛矿薄膜层，钙钛矿薄膜层为甲胺铅碘钙钛矿薄膜层，钙钛矿薄膜层中形成光致电荷后，分离电子和空穴的最大输运长度在5μm以下，微区电极为交错阵列结构。

3、进一步地，su-8负性光刻胶层的厚度为20～100nm。

4、上述光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤一，将玻璃衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗，干燥，去除表面水分，紫外清洗；

6、步骤二，将银纳米颗粒旋涂至清洗后的玻璃衬底上，烘干，得到银纳米颗粒(agnps)涂层覆盖的玻璃衬底；

7、步骤三，用环戊酮稀释好的su-8光刻胶在加热台上振荡溶解，再旋涂至银纳米颗粒涂层覆盖的玻璃衬底上，进行前烘处理，去除薄膜中的残留的挥发性溶剂，通过紫外光曝光，固化衬底，后烘，在银纳米颗粒涂层表面形成su-8负性光刻胶层；

8、步骤四，在步骤三所得物表面恒速蒸镀银薄膜，蒸镀完成后取出，旋涂rzj-304正性光刻胶，进行前烘处理，覆盖预制备掩膜版，进行曝光光刻，后烘后浸入显影液中，使微区图案显现，然后用银刻蚀液刻蚀银薄膜，最后浸入rzj-304正性光刻胶剥离液，去除残留的rzj-304正性光刻胶，在su-8负性光刻胶层表面形成微区电极；

9、步骤五，将摩尔比为1～1.5:1的pbi2和mai溶于dmf中，在50～90℃下搅拌，得到钙钛矿溶液，将其旋涂在步骤四所得物上，在加热台上以80～120℃温度热退火10～30min，在微区电极、su-8负性光刻胶层表面形成甲胺铅碘钙钛矿(mapbi3)薄膜层。

10、进一步地，步骤三中，su-8溶液光刻胶与环戊酮质量体积比为100～500mg:1ml。旋涂转速为500～3000rpm，旋涂时间为5～45s。前烘的温度为60～100℃，时间为5～15min。后烘温度为50～100℃，后烘时间为5～15min。通过调节不同参数，实现对su-8光刻胶修饰膜厚度的调控，实现对刚性衬底表面能的调节修饰环节，最终su-8光刻胶膜厚度为20～100nm。

11、进一步地，步骤四中，蒸镀的真空度为2.0×10-4～8×10-4pa，沉积速率为蒸镀银膜厚度为30～120nm；旋涂转速为1000～3000r/min，时间为20～40s，rzj-304正性光刻胶厚度为0.5～5μm。前烘温度为50～100℃，时间为1～5min，曝光光刻时间为1～15s，后烘温度为50～100℃，时间为1～5min。

12、进一步地，步骤五中，旋涂钙钛矿溶液每次取量20～150μl，旋涂转速为1000～2000r/min，时间为5～20s；再在2000～5000r/min转速下转10～30s，并在第15～30s滴加100～150μl的氯苯，最终钙钛矿薄膜厚度为0.5～5μm。

13、制备原理：通过将银纳米颗粒引入钙钛矿活性层，形成近三维肖特基接触，有效优化光生载流子的输出。利用agnps产生的局域等离子体共振现象，提升agnps周围的电场强度，增大光吸收截面，增强器件有源层的光吸收效率。利用超薄的su-8层封装，有效地抑制agnps表面天然缺陷部位对光生载流子的俘获，极大优化了器件光电转换性能。此外，利用局域等离子体激元共振的非辐射失活过程，产生热载流子并传输进入钙钛矿功能层中，可以有效实现对钙钛矿材料中深能级缺陷态的钝化，最终有效减小光生载流子传输过程中的损失。

14、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

15、1、将银纳米颗粒引入钙钛矿活性层，通过局部表面等离子体共振的激发，增大电场强度与光吸收截面；利用超薄su-8层对银纳米颗粒的包裹，有效阻止光生载流子在金属纳米颗粒表面天然缺陷位点的复合，所制得的光电探测器可以实现不同探测波段的探测能力的有效提升；

16、2、采用微结构电极的集成，缩短了电荷的传输路径，减少了电荷的散射，在钙钛矿层中形成光致电荷后，分离电子和空穴的最大输运长度可以控制在5μm以下，由于su-8保护层的存在，化学腐蚀过程并不会影响衬底提前修饰的agnps；

17、3、本发明所制备的钙钛矿光电探测器具备结构简单、成本较低、响应速度快等优势。

技术特征：

1.一种光电探测器，其特征在于：包括玻璃衬底、银纳米颗粒涂层、su-8负性光刻胶层、微区电极、钙钛矿薄膜层，所述钙钛矿薄膜层为甲胺铅碘钙钛矿薄膜层，所述钙钛矿薄膜层中形成光致电荷后，分离电子和空穴的最大输运长度在5μm以下，所述微区电极为交错阵列结构。

2.根据权利要求1所述的一种光电探测器，其特征在于：所述su-8负性光刻胶层的厚度为20～100nm，所述钙钛矿薄膜层的厚度为0.5～5μm。

3.根据权利要求1所述的一种光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，su-8溶液光刻胶与环戊酮质量体积比为100～500mg:1ml。

5.根据权利要求3所述的一种光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，旋涂转速为500～3000rpm，旋涂时间为5～45s。

6.根据权利要求3所述的一种光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，前烘的温度为60～100℃，时间为5～15min。

7.根据权利要求3所述的一种光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，后烘温度为50～100℃，后烘时间为5～15min。

8.根据权利要求3所述的一种光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，蒸镀的真空度为2.0×10-4～8×10-4pa，沉积速率为旋涂转速为1000～3000r/min，时间为20～40s。

9.根据权利要求3所述的一种光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，前烘温度为50～100℃，时间为1～5min，曝光光刻时间为1～15s，后烘温度为50～100℃，时间为1～5min。

10.根据权利要求3所述的一种光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，旋涂钙钛矿溶液每次取量20～150μl，旋涂转速为1000～2000r/min，时间为5～20s；再在2000～5000r/min转速下转10～30s，并在第15～30s滴加100～150μl的氯苯。

技术总结
本发明公开了一种光电探测器，包括玻璃衬底、银纳米颗粒涂层、SU‑8负性光刻胶层、微区电极、钙钛矿薄膜层，钙钛矿薄膜层为甲胺铅碘钙钛矿薄膜层，钙钛矿薄膜层中形成光致电荷后，分离电子和空穴的最大输运长度在5μm以下，微区电极为交错阵列结构。本发明还公开了一种光电探测器的制备方法。本发明将银纳米颗粒引入钙钛矿活性层，通过局部表面等离子体共振的激发，增大电场强度与光吸收截面；利用超薄SU‑8层对银纳米颗粒的包裹，有效阻止光生载流子在金属纳米颗粒表面天然缺陷位点的复合，所制得的光电探测器可以实现不同探测波段的探测能力的有效提升。

技术研发人员：马驰,叶莘怡
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12