[發(fā)明專利]一種鈣鈦礦鑭系復(fù)合納米材料及其制備方法和在寬波段光電探測器中的應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112484851B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊黃浩;謝莉莉;洪中柱;陳秋水
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: G01J1/42
• 分類號: G01J1/42;G01T1/24;H01L51/42
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 林文弘;蔡學(xué)俊

本發(fā)明公開了一種鈣鈦礦鑭系復(fù)合納米材料及其制備方法和在寬波段光電探測器中應(yīng)用，其利用溶液法合成的金屬鹵化物鈣鈦礦與鑭系上轉(zhuǎn)換復(fù)合納米材料，鑭系摻雜上轉(zhuǎn)換納米材料（UCNPs）是個反Stoke過程，恰好可將低能量近紅外光轉(zhuǎn)換成高能量可見光，可以彌補鈣鈦礦用于寬波段光電探測的不足，本發(fā)明的鑭系上轉(zhuǎn)換納米材料摻雜鈣鈦礦復(fù)合納米材料中上轉(zhuǎn)換納米材料表面包裹介孔二氧化硅，鈣鈦礦在介孔硅表面通過原位結(jié)晶法形成，具有更強的量子限域和更高的穩(wěn)定性，可設(shè)計成納米傳感器用于探測X?射線、紫外?可見以及近紅外光，該復(fù)合納米材料對不同劑量率的x射線和不同功率密度的UV/NIR具有廣泛的線性響應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電檢測領(lǐng)域，具體涉及一種鈣鈦礦鑭系復(fù)合納米材料及其制備方法和在寬波段光電探測器中的應(yīng)用。

技術(shù)背景

過去數(shù)十年，有機無機雜化鈣鈦礦(CH₃NH₃PbX₃, X = Cl, Br, I)以及全無機含鉛鈣鈦礦(CsPbX₃, X = Cl, Br, I)納米晶體經(jīng)歷了飛躍發(fā)展，吸收了眾多學(xué)者的關(guān)注。鉛鹵鈣鈦礦納米晶材料具備眾多特性：如全譜光調(diào)控、發(fā)射譜帶窄、光致效率高、特殊電子和晶體特性，賦予其較高載流子的流動性和較長的載流子擴散深度。尤其是，全色彩調(diào)節(jié)和發(fā)射使得這一材料成為發(fā)光二極管如LED、激光器、光學(xué)傳感器的理想材料。光電探測器在生物醫(yī)學(xué)傳感、相機成像、光學(xué)通訊和夜視方面有著廣泛運用，可用于記錄X射線、紫外-可見以及近紅外光。在光電探測器中最主要的部位是響應(yīng)不同光子能量的半導(dǎo)體器件。目前，眾多商業(yè)可用的光學(xué)探測器主要采用無機半導(dǎo)體晶體，如硅或者III-V化合物。然而這類材料對光學(xué)能量從X射線、紫外-可見覆蓋至近紅外光均無法實現(xiàn)超寬波段響應(yīng)。近來，低溫溶液合成法合成的金屬鹵化物鈣鈦礦材料的出現(xiàn)為下一代光電器件發(fā)展提供了可能性。利用鈣鈦礦材料作為活性表層的高靈敏光電探測器已經(jīng)廣泛用于探測紫外-可見以及X射線。這主要得益于低廉的制造成本和優(yōu)異的光電特性如載流子擴散長度長，載流子遷移率高以及紫外-可見和X射線吸收系數(shù)大。然而，光電探測器中鈣鈦礦對近紅外光的響應(yīng)很局限，因為他們最大的吸收邊緣位于近紅外光850 nm以下區(qū)域。可同時響應(yīng)X射線、近紅外光、紫外-可見的光電探測器依然面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)。

鑭系摻雜上轉(zhuǎn)換納米材料(UCNPs)可將近紅外光轉(zhuǎn)變成紫外-可見光，廣泛運用于生物成像、多通路傳感、光儲存和防偽。鑭系摻雜上轉(zhuǎn)換納米材料（UCNPs）是個反Stoke過程，恰好可將低能量近紅外光轉(zhuǎn)換成高能量可見光，但其固有嚴(yán)格的能級區(qū)分使其在波長調(diào)節(jié)方面很受限。本發(fā)明設(shè)計了一種基于鈣鈦礦/鑭系復(fù)合納米材料的寬波段光電探測器，可實現(xiàn)高效的多光子近紅外上轉(zhuǎn)換和X射線閃爍。通過在UCNPs表面包裹mSiO₂，隨后將有機無機鉛基鈣鈦礦納米晶體原位結(jié)晶法生長嵌入介孔硅中。這種復(fù)合材料不僅拓展了鈣鈦礦激發(fā)光源，而且又跨越鑭系元素的有限可調(diào)節(jié)發(fā)射，彌補了鑭系上轉(zhuǎn)換過程缺乏連續(xù)發(fā)射波長光譜的缺陷。本發(fā)明還涉及將該材料用于X射線、紫外-可見、近紅外光的探測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種鈣鈦礦鑭系復(fù)合納米材料及其制備方法和在寬波段光電探測器中的應(yīng)用。通過將鑭系元素與鈣鈦礦合理結(jié)合起來，充分發(fā)揮二者功能，揚長避短，可實現(xiàn)對寬波段光譜的檢測，操作過程簡單，靈敏度高。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種鈣鈦礦鑭系復(fù)合納米材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）內(nèi)核的制備：將稀土醋酸鹽混合物加入油酸和十八烯中，在150℃下反應(yīng)30min，冷卻至室溫后，再加入NaOH和NH4F的甲醇溶液，升溫至50℃繼續(xù)反應(yīng)30 min，然后繼續(xù)加熱至100℃，對溶液進行脫氣處理10min，除去多余的甲醇；最后在N2保護下進一步升溫到290℃反應(yīng)90 min后，攪拌冷卻至室溫，用乙醇和環(huán)己烷洗滌離心后，得到內(nèi)核納米產(chǎn)物，分散在環(huán)己烷溶液中備用；