[发明专利]一种量子点异质结自驱动红外光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种量子点异质结自驱动红外光电探测器及其制备方法，从上至下分别有金属顶电极、窄带隙半导体量子点有源层、载流子传输层以及金属底电极，所述载流子传输层为添加金属(如Ag、Au和Al等)纳米颗粒的氧化锌纳米胶体薄膜层，所述窄带隙半导体量子点有源层为PbSe量子点薄膜层。本发明还公开了这种自驱动红外光电探测器的制备方法。这种在载流子传输层(如ZnO等)中插入金属(如Ag、Au和Al等)纳米颗粒层的结构可以形成一层类似一层载流子(如电子)的“存贮”层，能降低BbSe/ZnO异质结界面处的空穴注入势垒，促进空穴对界面的隧穿从而提升器件的光电流，显著提高了自驱动光电探测器的性能。

技术领域

本发明涉及一种量子点异质结自驱动红外光电探测器及其制备方法，具体涉及一种基于PbSe胶体量子点与ZnO纳米颗粒(PbSe/ZnO)异质结的自驱动红外光电探测器的制备方法及其性能提高的技术，属于光电探测器领域。

背景技术

红外光电探测器是一种能够吸收红外光信号并将其转换为电信号的光电器件，在国防军事、气象观测、生物保护、自动驾驶、疫情防控等方面有着广泛的应用。近年来，基于Si、Ge、HgCdTe的传统红外光电探测器发展迅速。然而，由于一些致命的问题，例如高成本、复杂的制造工艺和低工作温度，上述材料的进一步应用受到极大阻碍。自20世纪80年代首次发现以来，窄带隙胶体量子点(CQD)由于其低成本、可溶液制备、带隙可调谐性和柔性衬底兼容性，已成为非常有前景的红外探测材料。第一个基于胶体量子点的红外(IR)光电探测器通过将CdS量子点与MEH-PPV聚合物结合得到，该器件显示出12％的外量子效率，实验结果表明用短链配体取代长链TOPO配体对提高电荷载流子传输率的重要性。在候选材料中，硫族铅化物量子点(如PbS和PbSe等)，由于其有效的多激子生成(MEG)效应和低成本，已被应用于各种光电子器件中。PbS和PbSe的体材料带隙约为0.41eV和0.28eV，激子玻尔半径分别为18nm和46nm。与PbS量子点相比，相同粒径的PbSe量子点的稳定性较差，但吸收光谱范围更宽。然而，基于PbS(或PbSe)量子点的光电探测器由于长链配体导致的载流子迁移率低，其探测性能受限。

配体交换、表面钝化和与其他纳米材料(包括聚合物等)混合形成复合材料是提高半导体胶体量子点载流子迁移率的常用方法，并已显示出良好的效果。然而，大多数胶体量子点光电探测器仍然需要高的外加偏压来支持光生载流子的定向移动以驱动光电流，这极大地限制了其实际应用。因此，在没有任何外加电压或电源的情况下实现自驱动光电探测器引起了人们极大的兴趣，这对于大型探测器阵列和无线光通信等应用至关重要，其中功率独立性和可持续操作尤其重要。此外，这些器件具有非常低的暗电流，这是一个显著的优点。自驱动光电探测器分为三类：(1)肖特基结；(2)p-n结；以及(3)光电化学型光电探测器。这些自驱动光电探测器的性能主要取决于控制载流子传输的内建电场。因此，通过调整器件结构来获得合适的内建电场非常重要。引入电子传输层和空穴传输层是构建异质结的常用方法。值得一提的是，电子传输层和空穴传输层还分别起到阻挡空穴和电子的作用，因此，器件的暗电流被抑制，但与此同时光电流也会降低。为了克服这些挑战，利用载流子存储点(起到载流子“陷阱”的作用)对电荷的存储和积累、增强异质结界面处的电场、从而实现光生载流子在异质结界面处的隧穿增强，已经成为一种很有前途的诱导光电倍增的方法。作为一种良好的电荷积累材料，金属纳米材料在这些材料和光电器件中引起了人们的诸多兴趣。例如，我们研究团队报道了一种高性能的叠层光电探测器(TandemPhotodetector)，通过在两个单元探测器之间插入PMMA:Au夹层作为电子存储层，该夹层(PMMA:Au)由Au纳米颗粒掺杂到PMMA层中而制成，它一方面可以减少通过器件的暗电流；同时，可以增强在光照条件下产生的光电流。因此，将这种物理机制引入基于量子点异质结自驱动光电探测器中能显著提升器件的性能，是一个非常有前途的研究方向。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提出一种量子点异质结自驱动红外光电探测器及其制备方法，可以提高光照条件下光生载流子的分离及其分离后自由载流子的传输能力。