[發明專利]大顆粒鈣鈦礦單晶/聚合物復合厚膜、光電探測器及制法

有效

• 申請號: 201910014194.3
• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN109817812B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 林乾乾;彭家麗
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H01L51/48
• 分類號: H01L51/48;H01L51/42
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 俞琳娟

本發明提供大顆粒鈣鈦礦單晶/聚合物復合厚膜、光電探測器及制法，制法包括：步驟1.將鈣鈦礦充分溶解得到飽和溶液，過濾后持續加熱制得鈣鈦礦單晶；步驟2.將鈣鈦礦單晶干燥后進行機械碾磨和篩分得到鈣鈦礦單晶顆粒，真空干燥后得到直徑為500nm～10μm的單晶顆粒；步驟3.將單晶顆粒分散于聚合物溶液中，制成分散液；步驟4.將分散液旋涂在沉積有空穴傳輸層的透明導電基底上，制得大顆粒鈣鈦礦單晶顆粒與聚合物的復合厚膜，再將該復合厚膜在熱臺上退火，旋涂轉速為100～4000rpm。本發明提供的復合厚膜具有優異的電荷傳輸性能、快響應速度、高穩定性、低暗電流和噪聲、制備簡便等優點。

技術領域

本發明屬于光電薄膜器件領域，具體涉及一種大顆粒鈣鈦礦單晶/聚合物復合厚膜、光電探測器及制法。

技術背景

近年來，雜化鈣鈦礦作為光電領域的“明星材料”受到了廣泛的關注。由于其光吸收系數高、半導體帶隙可調、載流子輸運性能優異(壽命長、遷移率高和擴散長度長)、又可低成本溶液加工或低真空低溫蒸鍍制備，雜化鈣鈦礦材料已然成為當今光電領域最有前景的半導體材料之一，在太陽能電池、發光二極管和光電探測器應用方面都獲得了迅猛的發展。尤其是在光電探測方面，鈣鈦礦已表現出巨大潛力和較大研究突破。其較大的載流子遷移率可以提高光探測的響應速度，較小的復合常數能拓寬探測器的線性動態范圍，可調的帶隙為選擇性光探測提供了諸多便利，而廉價的原材料及簡單的制備工藝又可大大降低器件制備成本。這些優異的性能都表明雜化鈣鈦礦材料是極好的光敏、光探測材料。

自2014年以來，基于甲基銨碘化鉛薄膜的高性能、寬帶鈣鈦礦光電二極管成功制備，與商用硅基探測器相比，它表現出較高的檢測率、較快響應速度、較低噪聲和較低暗電流。此后，越來越多的報道采用鈣鈦礦復合材料調制光電特性并成功制備更優異的鈣鈦礦光電探測器。

然而，這些鈣鈦礦復合材料制得的薄膜通常具有較小的單晶尺寸和較薄的厚度，這會導致鈣鈦礦復合薄膜表現出較差的電荷傳輸能力。鈣鈦礦復合薄膜的制備工藝一般是將聚合物與鈣鈦礦溶于溶劑中得到鈣鈦礦的前驅體溶液，然后采用典型的溶液沉積法，即旋涂制得鈣鈦礦薄膜，這需要精確控制旋膜工藝且重復性差，薄膜表面形貌很難控制，常常會出現孔洞導致探測器漏電從而增大暗電流和噪聲，并且此方法制備的薄膜一般都比較薄。此外，鈣鈦礦薄膜很容易受到水和氧氣的影響，在空氣中表現出極差的穩定性以至于很難長期穩定而有效地應用。不斷地追求高性能，高穩定性，低成本等成為了光電探測器亟待解決的難題。同時新材料新技術的引入和創新，使解決這些難題成為可能。在過去兩年中，越來越多的研究開始傾向于鈣鈦礦單晶厚膜，與鈣鈦礦多晶薄膜相比，單晶厚膜可以促進光吸收，利于載流子提取，提高載流子的輸運能力，且單晶還具有更高的穩定性和更低的缺陷態密度。但鈣鈦礦單晶厚膜制備非常困難，而基于鈣鈦礦大單晶顆粒和聚合物復合厚膜的制備及其探測器還未見任何報道。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于出一種具有優異的電荷傳輸性能、快響應速度、高穩定性、低暗電流和噪聲、制備簡便等優點的大顆粒鈣鈦礦單晶/聚合物復合厚膜，和包含該復合厚膜的光電探測器，以及該復合厚膜的制備方法。本發明為了實現上述目的，采用了以下方案：

制備方法

本發明提供一種大顆粒鈣鈦礦單晶/聚合物復合厚膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1.制備鈣鈦礦單晶：將鈣鈦礦在40～70℃下充分溶解得到飽和溶液，過濾后在100～130℃下持續加熱4～8h制得鈣鈦礦單晶；步驟2.制備單晶顆粒：將鈣鈦礦單晶干燥后進行機械碾磨和篩分得到鈣鈦礦單晶顆粒，采用真空干燥箱60～100℃干燥12～24h，制得直徑為500nm～10μm的單晶顆粒；步驟3.混合分散：將單晶顆粒分散于聚合物溶液中，單晶顆粒摻混量為100～2000mg/mL，聚合物溶液濃度為10～200mg/mL，制成分散液；步驟4.旋涂：將分散液旋涂在沉積有空穴傳輸層的透明導電基底上，制得大顆粒鈣鈦礦單晶顆粒與聚合物的復合厚膜(大顆粒鈣鈦礦單晶/聚合物復合厚膜)，該復合厚膜的厚度大于500nm，再將該復合厚膜在熱臺上80～100℃退火30～60min。