论文总字数：16465字

摘 要

氧化镓、钙钛矿在日盲与可见光探测领域具有广泛的应用前景，本课题利用物理混合法构建CsPbBr₃-Ga₂O₃复合结构制作成p-n结并研究其光电特性。首先用水热法合成氧化镓，通过震动研磨仪把两种试剂粉末混合在一起研磨15分钟得到钙钛矿微纳结构与氧化镓的复合结构，蒸镀银电极并构筑光电探测器件。XRD及光学表征实验表明震动研磨法合成的CsPbBr₃-Ga₂O₃具有良好的结构特性，对265nm与白光的响应较好。该方法能为实验高效全波段光电探测器提供重要的参考价值。

关键词：钙钛矿、氧化镓、全波段光电探测、复合结构、震动研磨

Photoelectric detection of gallium oxide with perovskite micro-nano structure

Abstract

Gallium oxide perovskite in blind with optical detection technology has wide application prospect, this topic physical mixing method is used to build CsPbBr3 - Ga2O3 composite structure into a p-n junction and study the synthesis method of gallium oxide, photoelectric properties first hot water through the vibration grinding apparatus mixed the two reagents powder grinding together 15 minutes to get perovskite micro-nano structure and gallium oxide composite structures, the deposition of silver electrode and construct a photodetector XRD and optical characterization experiments show that the cspbbr3-ga2o3 synthesized by vibration grinding method has good structural characteristics and good response to 265nm and white light. This method can provide an important reference value for experimental high-efficient all-band photodetectors.

Keywords: perovskite, gallium oxide, all-band photoelectric detection, composite structure, vibration grinding

目录

摘 要 I

Abstract I

目 录 II

第一章 绪 论 1

1.1引 言 1

1.2基于金属卤化物钙钛矿材料的光电探测 2

1.2.1金属卤化物钙钛矿材料的研究意义 2

1.2.2金属卤化物钙钛矿材料用于光电探测的优势及缺点 2

1.3基于氧化镓材料的光电探测 3

1.3.1氧化镓材料的研究意义 3

1.3.2氧化镓材料用于光电探测的优势及缺点 5

1.4本课题对光电探测研究的设计思路及意义 7

1.4.1设计思路 7

1.4.2复合方式的探究 8

1.4.3探究意义 9

第二章 钙钛矿微纳结构复合氧化镓的光电探测 10

2.1实验所需仪器及实验设备介绍 10

2.1.1实验试剂 10

2.1.2实验器材 10

2.2实验方案 10

2.3 实验结果与讨论 12

第三章 展 望 15

参考文献 16

致 谢 19

第一章 绪 论

1.1引 言

光电探测器是将光信号转化为电信号的一种装置，在工业和科学研宄领域都具有广泛的应用基础。利用不同波段光之间相异特性，光电探测器可以应用在许多方面，比如在环境污染检测、臭氧层空洞监测、安检、光通信、红外夜视领域己得到良好的应用。随着激光与红外技术的发展，单个的光电探测器已不能满足系统需求，从光子探测器和热探测器到谐振腔增强型光电探测器^[1]和硅基雪崩光电探测器^[2]，人们的研究方向逐渐转向了对新型半导体材料的开发研究。

近年来，在用于制备光电探测器的材料中，新兴的复合钙钛矿材料因带隙窄、吸收系数高、可以良好地探测紫外到近红外光波段，金属卤化物钙钛矿（AMX₃，A=CH₃NH₃和Cs；X=Cl，Br和I）材料的性能与探测范围吸引着科研工作者们的研究热潮。通过调节钙钛矿材料中的离子配比能连续调节其能带位置，便于与不同半导体材料形成能带匹配的结构；复合钙钛矿因扩散系数长、载流子迁移率高的优点，能够有效地分离和传输载流子；钙钛矿因为其良好的溶液加工性和低温结晶性有利于其适应不同的制备方式，这样便于与不耐高温的材料结合。充分地利用钙钛矿的优点，设计出基于钙钛矿材料的复合结构，为满足在自驱动性、柔韧性和多功能性方面的发展趋势具有非常重要的意^[3-9]。

光电探测器分为可见光部分的探测深紫外光以及红外光电探测，前面了解到钙钛矿在探测紫外到近红外光波段具有无可代替的优势。氧化镓(Ga₂O₃)则在深紫外波段具有探测的优势，dong^[10]等人通过探究β-Ga₂O₃ 材料的基本特性，从材料的物理化学特性方面对超宽禁带氧化物半导体β-Ga₂O₃ 材料进行探究。通过磁控溅射法和脉冲激光沉积法制备氧化镓薄膜，并对材料的基本特性和生长条件进行了优化处理。如果能改进β-Ga₂O₃材料存在的氧空位在富养和缺氧条件下的影响，以及改进β-Ga₂O₃材料的氮掺杂的浓度问题，这样可以对晶体性能其到极大的优化作用，也能创造出低廉方便的制备工艺。

本文通过对以上两种材料的初步探究，拟探究出可以探测全波段范围（从深紫外到红外）的光电探测器。

1.2基于金属卤化物钙钛矿材料的光电探测

1.2.1金属卤化物钙钛矿材料的研究意义

金属卤化钙钛矿是一类具有良好磁、电和光学性能的重要材料。1839 年，俄罗斯地质学家 LA Perovski 在乌拉尔山脉首次发现钛酸钙(CaTiO₃)氧化物,这种物质的晶格结构广泛分布在自然界。之后，科学家将与 CaTiO₃晶格结构相同的所以材料统称为钙钛矿。标准钙钛矿根据晶格结构的不同化学分子式可表达为 ABX₃和 A₂BX₄^[11]。因为表达式中A不同，金属卤化物钙钛矿便分为纯有机钙钛矿和有机-无机杂化钙钛矿，本实验主要探究有机-无机杂化钙钛矿的基本性质，以及在光电探测方面的应用与发展。最初研究的钙钛矿，是对钙钛矿薄膜微观结构和光电特性的研究分析，将分好组的两份钙钛矿薄膜样品一份置于氮气氛围中进行热退火，一份置于二甲基亚砜蒸汽氛围中进行溶剂退火;结果表明，与热退火相比，经溶剂退火后样品的平均晶粒尺寸和均匀性显著提升，从而减小了薄膜中晶粒边界或界面的体积分数^[12]。采用混合前驱体溶剂和后续溶剂退火增加了薄膜的厚度和可见光的利用率，有效改善了薄膜形貌，优化了结晶质量。同时薄膜光致发光强度的增加，表明薄膜缺陷态密度降低，使钙钛矿薄膜可用于制作光电探测器的吸收层，不断提高探测器光电转换效率。随着研究的深入，钙钛矿的卤化物由于其优异的光电性能被进一步研究。

1.2.2金属卤化物钙钛矿材料用于光电探测的优势及缺点

金属卤化物钙钛矿作为光电探测器的发光材料存在优势也有不少缺陷，首先是钙钛矿对光谱的响应，钙钛矿本身的性质限制其对红外光的吸收，使得钙钛矿无法响应近红外光谱。将钙钛矿与窄带隙的硅（si）材料复合可以拓宽钙钛矿的光谱响应范围。在这一过程中，引入TiO₂减少si和钙钛矿之间由于能量失配造成的复合。以减少Si和钙钛矿之间由于能量失配造成的复合，抑制暗电流，增强界面处载流子的分离和传输，使得复合光电探测器具备更高的性能和自驱动能力。在此基础上，最佳的复合光电探测器光谱响应范围可以拓宽到1150mn，响应时间和比探测率则分别可以达到50ms和6×10¹²jones。有机-无机钙钛矿用于光电探测的波段如图1所示

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