中科院化学所Adv. Mater.：双层PbS量子点助力高性能光电探测

【引言】

光电探测广泛应用于成像、通信和生物传感等领域。市场上的光电探测器主要是基于硅材料和其他III–V族半导体材料，但是这些材料面临着成本高，不易柔性化等问题。PbS量子点具有带隙可调范围宽（0.6~1.6 eV）、摩尔吸光系数高（10⁶ M^-1 cm^-1），制备工艺简单以及稳定性好等优点，因此被认为是新一代柔性光电探测器的优秀候选材料。现有的单层PbS量子点光电探测器面临着漏电流大、开关比低、响应速度慢等问题。也有报道将金属纳米粒子、有机材料和石墨烯等材料与PbS量子点结合，形成杂化型光电探测器件，此类方法有效地增强了器件的响应度，但也带来了非常高的暗电流等问题，使得器件的性能无法全面提升。因此，如何克服单层PbS量子点和杂化PbS量子点光电探测器面临的问题是一个亟待解决的问题。

【成果简介】

近日，中科院化学所王吉政、胡劲松教授联合华东理工大学特聘教授钟新华（共同通讯作者）在Adv. Mater.上发表了一篇题为 “Bilayer PbS Quantum Dots for High-Performance Photodetectors”的文章。在该项成果中，研究人员提出了一种双层PbS量子点结构的光电探测器，从而全面地提升了PbS量子点型光电探测器的性能参数；构造出了一种具有响应速度快、LDR宽、探测率高等优点的PbS量子点型光电探测器。PbS双层量子点不受衬底约束，既可以生长在玻璃上，又可以生长在PI膜上，克服了传统光电探测材料的难柔性化缺点。

【图文导读】

文章主要对比研究了三种不同结构的器件，分别是PbS量子点溶于TBAI配体的单层器件，PbS量子点溶于EDT配体的单层器件，以及将这两种单层量子点结合在一起的双层量子点器件。研究发现将两种单层PbS量子点结合成的双层量子点器件性能得到显著提高。

图1：PbS量子点的TEM表征图、吸收谱、UPS、以及能级分布

(a) 油酸修饰过的PbS量子点的TEM图；

(b) 原始油酸修饰的PbS量子点、PbS-TBAI量子点和PbS-EDT量子点的吸收谱；

(c) PbS-TBAI量子点薄膜的紫外光电子能谱（UPS），插图为二次电子截止区放大图；

(d) PbS-EDT量子点薄膜的紫外光电子能谱（UPS），插图为二次电子截止区放大图；

(e) PbS-TBAI和PbS-EDT的能级分布图，虚线为费米能级，上边实线为导带底下边实线为价带顶。

图2：PbS量子点器件结构示意图、能带图以及光暗条件下的I-V曲线

(a) 单层PbS-TBAI器件结构示意图；

(b) 单层PbS-EDT器件结构示意图；

(c) 双层PbS-TBAI/PbS-EDT器件结构示意图；

(d) 双层PbS-TBAI/PbS-EDT结构能带示意图；

(e) 三种器件的暗电流I-V曲线；

(f) 三种器件的光电流I-V曲线，测试条件：白光，0.2mW cm^-2。

图3：PbS量子点器件的电流开关响应曲线以及响应时间曲线

(a, b, c) a, b, c分别对应三种器件的I-T曲线，通过规定的频率调节照射光的开关；

(d, e, f) d, e, f分别对应三种器件的上升下降时间曲线；

测试条件：10V偏压，0.20 mW cm⁻²白光照射。

图4：PbS量子点器件不同波长下对应的光电流、响应度和比探测率

(a) 三种器件不同波长下对应光电流曲线；

(b) 三种器件不同光波长下对应的响应度曲线；

(c) 三种器件不同光波长下的比探测率曲线；

测试条件：光功率10.6μW cm^-2，偏压为10V。

图5：PbS量子点器件信噪比、光电流与光功率密度的关系

(a) 三种器件在不同光能量密度下的信噪比；

(b) 三种器件在不同光能量密度下的光电流曲线。

图6：柔性器件实物图，光电流响应与光功率密度的关系

(a) 制备在PI膜上的双层PbS量子点柔性器件实物图；

(b) 柔性器件在不同光强下的光电流变化图，测试条件：10V偏压。

【小结】

研究者利用两种单层PbS量子点进行一个简单的组合，制备出双层PbS量子点器件，从而有效的提升了光电探测器的性能参数。这一方法构思巧妙，制备工艺简单可行。为PbS量子点光电探测器件的研究提供了一个全新的思路。

文献链接：Bilayer PbS Quantum Dots for High-Performance Photodetectors(Adv. Mater.,2017,DIO: 10.1002/adma.201702055)

本文由材料人新人编辑部刘于金编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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