Adv. Funct. Mater.:使用TiO2 NTs/MAPbI3 QDs异质结构获得具有宽带相应的光电探测器


【引言】

1D纳米材料由于有较宽的光谱响应性能,在宽光谱开关、图像传感、存储、通信等领域有着广泛的应用前景。二氧化钛(TiO2)具有优异的化学稳定性和机械强度。与TiO2纳米线(NWs)相比,纳米管(NTs)阵列具有较高的比表面积,展示出更加优良的光电性能,并且通过维度变化可以在很大范围内实现性能调控。然而作为宽带隙半导体材料,TiO2NTs的吸收限制在紫外范围,限制了它在光电探测方面的应用。一些研究通过掺杂碳、氮或过渡金属的方式提高TiO2在可见光区的敏感度,但由于掺杂后的很难获得1D结构,使得TiO2的带隙减小;另外,有一些研究通过在TiO2NTs中填充有机染料或聚合物的方式拓宽其吸收范围,但这种过程难控、工艺复杂,同时,有机物的热稳定性较差。因此,在不影响其他光电性能的条件下,实现较宽范围的光电检测仍然是一个挑战。

MAPbI3QDs具有带隙可调(3.1~1.7 eV)和荧光量子产率高等优点。当杂化钙钛矿和TiO2组合时,二者导带的差别可以提高的电荷分离效率。一些研究通过MAPbI3QDs敏化TiO2纳米棒,使得光电转换效率达到9.4%;MAPbI3/TiO2p–n薄膜具有较高的近红外光响应稳定性。但是针对MAPbI3QDs敏化TiO2NTs的研究却很少。除此之外,MAPbI3在空气中不稳定,对温度敏感。因此,实现具有较高稳定性的MAPbI3QDs敏化TiO2NTs具有重要意义。

【成果简介】

近期,华中滚球体育 大学翟天佑教授(通讯作者)等人在Advanced Functional Materials上发表了最新研究成果 “Decorating Perovskite Quantum Dots in TiO2 Nanotubes Array for Broadband Response Photodetector”。 研究人员利用协同静电纺丝技术制备水平结构的TiO2NWs和NTs。在没有使用任何配体的情况下,通过旋涂工艺将量子点锚定在TiO2纳米结构表面。与纯TiO2NTs结构相比,这种光电探测器能够实现从紫外到全可见光谱的光电检测,这与钙钛矿QDs和TiO2的吸收光谱匹配。将该异质结器件暴露于潮湿空气中72小时或者在100 ℃加热,其光电性能几乎没有降低。研究人员使用这种结构制备了柔性透明宽带光电探测器,探测器不仅在可见光范围内具有较高的透过率(≈85%),而且经过多于200次连续弯曲后,仍能保持优异的稳定性。

【图文导读】

图1:TiO2NTs/MAPbI3结构制备工艺

(a) 协同静电纺丝制备TiO2NTs阵列的示意图。

(b-d) 在TiO2NTs阵列上旋涂MAPbI3QDs的示意图。

(e) MAPbI3QDs敏化TiO2NTs的示意图。

(f) MAPbI3QDs和TiO2NTs价带和导带的能级图。

图2:TiO2NTs/MAPbI3异质结构的形貌

(a) TiO2NTs / MAPbI3QDs异质结构的光学照片。

(b) TiO2NTs / MAPbI3QDs异质结构的SEM照片。

(c) TiO2NTs / MAPbI3QDs异质结构的EDS图谱。

(e, f) TiO2NTs / MAPbI3QDs异质结构的HRTEM照片。

图3:TiO2NTs / MAPbI3QDs的光学性能

(a) TiO2NTs / MAPbI3QDs-真空(TiO2在真空中退火后的NTs / MAPbI3QDs异质结构),TiO2NTs/MAPbI3QDs异质结构,MAPbI3QDs和TiO2NTs的紫外-可见光谱。

(b) TiO2NTs / MAPbI3QDs-真空,TiO2NTs/MAPbI3QDs异质结构,MAPbI3QDs和TiO2NTs的荧光光谱。

(c) TiO2NTs / MAPbI3QDs-真空,TiO2NTs/MAPbI3QDs异质结构,MAPbI3QDs和TiO2NTs随时间的荧光强度衰减曲线。

图4:基于TiO2NTs / MAPbI3QDs异质结构的光电探测器

(a) 分别在暗态和350 nm光照下的TiO2NTs和TiO2NTs/QDs的I-V曲线; 插图是器件的光学照片,电极的宽度为500 μm,沟道的长度为10 μm,比例尺为100 μm。

(b) 分别在暗态和350 nm光照下的TiO2NTs/ MAPbI3和TiO2NWs/ MAPbI3的I-V对数形式曲线。

(c) 分别在暗态和700nm光照下的TiO2NTs / MAPbI3QDs和TiO2NWs / MAPbI3的I-V曲线。

(d) 分别在暗态和350 nm光照下的TiO2NTs和TiO2NTs/QDs的I-t曲线。

(e) 分别在暗态和350 nm光照下的TiO2NTs/MAPbI3QDs和TiO2NWs / MAPbI3的I-t曲线。

(f) 分别在暗态和700 nm光照下的TiO2NTs/MAPbI3QDs和TiO2NWs / MAPbI3的I-t曲线。

图5:基于TiO2NTs / MAPbI3QDs异质结构的光电响应

(a) 分别在1 V偏压下的TiO2NTs /MAPbI3QDs和TiO2NTs的光谱响应的对数形式。

(b) 分别在暗态、300、350、400、500、600、700及700 nm光照下的TiO2NTs /MAPbI3QDs的I-V曲线。

(c) (b) 图对应曲线的对数形式。

(d) 在350 nm光照下的TiO2NTs/ MAPbI3QDs的I-t曲线。

(e) 在700 nm光照下的TiO2NTs/ MAPbI3QDs的I-t曲线。

(f) 分别在暗态和700 nm光照下的TiO2NTs / MAPbI3QDs和TiO2NWs / MAPbI3的I-t曲线。在强度为26.8 mW cm-2的光密度及1 V偏压下,TiO2NTs/MAPbI3QDs和TiO2NTs的响应度随波长的对数曲线。

图6:基于TiO2NTs/MAPbI3QDs, TiO2NTs和MAPbI3QDs 器件的稳定性

(a) TiO2NTs/MAPbI3QDs, TiO2NTs和MAPbI3QDs器件在潮湿的空气中放置0~72 h在350 nm光照下的光响应。

(b) TiO2NTs/MAPbI3QDs, TiO2NTs和MAPbI3QDs器件在25°C, 50°C和100°C干燥的空气中,在350 nm光照下的光响应。

(c) TiO2NTs/MAPbI3QDs, TiO2NTs和MAPbI3QDs器件在潮湿的空气中放置0~72 h在350 nm光照下的光电流。

(d) TiO2NTs/MAPbI3QDs, TiO2NTs和MAPbI3QDs器件在25°C, 50°C和100°C干燥的空气中,在350 nm光照下的光电流。

【小结】

在该文中,研究人员地制备了一个基于协同静电纺丝TiO2NTs /MAPbI3QDs异质结构的具有宽响应范围的柔性透明光电探测器。与TiO2NTs光电探测器相比,异质结构的灵敏度在可见光范围内的提高了三个数量级,并在紫外区域保持良好的性能。利用静电纺丝技术,制备了TiO2,保存容易,成本低廉; 进而结合MAPbI3QDs的优点,这种异质结构光电探测器可能有益于宽带光电器件的发展。

文献链接:Decorating Perovskite Quantum Dots in TiO2Nanotubes Array for Broadband Response Photodetector. (Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703115)

本文由材料人编辑魏昌庭编译,朱晓秀审核,点我加入材料人编辑部

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