本申請要求2015年8月31日提交的美國臨時申請?zhí)?2/212,002的權益，其全部內容通過引用并入本文。

對于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明

本發(fā)明是在美國國家科學基金授予的合同號1351785下的政府支持作出的。政府擁有本發(fā)明中某些權利。

技術領域

一般地，本發(fā)明的實施方式涉及光電探測器。具體地，本發(fā)明的實施方式涉及利用量子點集光材料的光電探測器。更具體地，本發(fā)明的實施方式涉及利用被鈣鈦礦混合物材料鈍化的量子點集光材料的光電探測器。

背景技術：

在紫外-可見(UV-vis)至紅外(IR)光譜中光學傳感對各種活動是重要的，包括監(jiān)測和遙感、光纖通信、日間/夜間監(jiān)視、和醫(yī)學成像。目前，為了實現(xiàn)這樣的傳感，需要單獨的傳感器和/或材料來探測UV-vis至IR波長光譜或范圍內的不同子能帶。例如，AlGaN、Si、InGaAs和PbS基光電探測器(PD)已經(jīng)被用于覆蓋在250nm至2600nm之間的波長發(fā)生的光譜響應。然而，這樣的PD需要在低溫下操作，諸如在InGaAs基光電探測器情況中4.2開爾文度，例如，以達到高水平的探測靈敏度。

為了避免這樣的低溫操作需求，已經(jīng)給予極大的關注以開發(fā)硫化鉛(PbS)量子點(QD)基光電探測器(PD)，在下文被稱為PbS QD基PD。例如，由PbS QD基PD已經(jīng)實現(xiàn)超過10³A/W的響應率(R)同時大約10¹³瓊斯(1瓊斯＝1cm Hz^1/2W^-1)的可探測率(D*)。另外，由摻入高度導電石墨烯作為集光體(light harvester)的PbS QD基PD進一步實現(xiàn)了大約10⁷A/W的響應率(R)。然而，在兩種情況中均利用平的薄膜晶體管(TFT)器件結構，其導致對對高驅動電壓和慢響應時間的需求，其是大的橫向電極間距(大于50μm)的結果，需要該間距用于降低暗電流和用于保持TFT中高的增益。這樣的PbS QD光電探測器的這些限制基本上限制它們在日間/夜間監(jiān)視和化學/生物傳感中的應用，在這些應用中，高速和低功率(例如低電壓)操作是期望的。

鑒于當前的PbS QD基光電探測器的這些缺點，開發(fā)使用低驅動電壓的具有垂直器件結構的PbS QD基光電探測器將是期望的。遺憾地，由于PbS QD的差的導電率，已經(jīng)限制這樣的PbS QD的開發(fā)，這是由PbS QD的表面上大量陷獲態(tài)的存在引起的。為了實現(xiàn)高性能PbS QD基光電探測器操作，在這樣的光電探測器中的陷獲態(tài)需要被最小化或消除，由于陷獲態(tài)為與PbS QD的載流子復合提供眾多位點，同時還導致大的泄漏電流，該泄漏電流導致低的可探測率。

因此，存在對這樣的光電探測器的需要：其通過在PbS QD的帶隙中填充難以進入(hard to access)的位點消除或降低引起PbS QD中的陷獲態(tài)的結構缺陷。另外，存在對這樣的光電探測器的需要：其在降低的溫度，諸如室溫，以及低功率下操作，用于UV-vis(紫外可見)至IR(紅外)之間的光譜中的波長的光學探測。還存在對這樣的光電探測器的需要：其具有與無機光電探測器的操作性能類似的操作性能，但是其能夠在室溫下操作。此外，存在對這樣的光電探測器的需要：其利用配置有垂直器件結構的PbS QD。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)前述，本發(fā)明的實施方式的一個方面是提供光電探測器，其包括至少部分透光的第一電極；鄰接第一電極放置的量子點層；直接鄰接量子點層放置的鈣鈦礦混合物層；和鄰接鈣鈦礦混合物層放置的第二電極。

本發(fā)明的實施方式的另一方面是提供形成光電探測器的方法，其包括提供第一至少部分透光的電極；提供鄰接第一電極的量子點層；提供直接鄰接量子點層的鈣鈦礦混合物層；和提供鄰接所述鈣鈦礦混合物層的第二電極。

附圖說明

根據(jù)下面的描述、所附權利要求和附圖，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點，其中：

圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的具有ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/Al的構造的光電探測器的示意圖；

圖1B是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的圖1A的光電探測器中每一層的截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像；

圖1C是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的圖1A的光電探測器的各種結構層的逸出功(work function)的圖，其包括PEDOT:PSS、Al，PbS QD、CH₃NH₃PbI₃和PC₆₁BM的HOMO、LUMO能級；

圖2A是PbS QD的透射電子顯微鏡圖像；

圖2B是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的原始的PbS QD薄膜、原始CH₃NH₃PbI₃薄膜和PbS QD/CH₃NH₃PbI₃薄膜的吸收光譜的圖；

圖2C是顯示ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/PC₆₁BM/Al的J-V特性的圖，其中PbS QD具有不同的厚度；

圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的具有下面構造的光電探測器的EQE光譜的圖：ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/PC₆₁BM/Al的構造(Pb QD基PD)、ITO/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/Al的構造(CH₃NH₃PbI₃基PD)、和ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/Al的構造(PbS QD/CH₃NH₃PI₃基PD)；

圖4A是顯示具有PEDOT:PSS/PbS QD/PC₆₁BM/Ca/Al的構造的光電探測器的能級排列的圖；

圖4B是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的具有PEDOT:PSS/PbS QD/CH₃NH₃PbI₃/Ca/Al的構造的光電探測器的能級排列的圖；

圖4C是PbS QD/PC₆₁BM雙端光電探測器的Mott-Schottky圖；

圖4D是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的PbS QD/CH₃NH₃PbI₃雙端光電探測器的Mott-Schottky圖；

圖4E是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的PbS QD/PC₆₁BM和PbS/CH₃NH₃PbI₃的能態(tài)密度光譜的圖；

圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/PC₆₁BM/Al光電探測器和ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/Al光電探測器的光電流密度對光強度的圖；

圖6A是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的在黑暗下和在以具有0.80mW/cm²和0.70mW/cm²的光強度的500nm和900nm的波長的單色光照射下ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/Al光電探測器的J-V特性的圖；

圖6B是顯示在黑暗下和在以具有0.80mW/cm²和0.70mW/cm²的光強度的500nm和900nm的波長的單色光照射下ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/PC₆₁BM/Al光電探測器的J-V特性的圖；

圖6C是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/PC₆₁BM/Al光電探測器和ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/Al光電探測器的可探測率對波長的圖；

圖6D是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/Al NIR光電探測器的線性動態(tài)范圍的圖；和

圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的概念的PbS QD/PC₆₁BM光電探測器和PbS QD/CH₃NH₃PbI₃光電探測器的性能的表。

具體實施方式

光電探測器一般地由數(shù)字10指示，如附圖的圖1A-B中所示。光電探測器10包括透明的導電電極或層20，其可以由至少部分透光的任意適合的導電材料形成，諸如氧化銦錫(ITO)。鄰接透明導電層20放置的是緩沖層30。緩沖層30可以由任意適合的材料形成，諸如，例如聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)聚磺苯乙烯(PEDOT:PSS)。鄰接緩沖層30放置的是量子點層40。量子點層40可以由任意適合的量子點材料形成，諸如，例如PbS(硫化鉛)量子點(PbS QD)。直接鄰接量子點層40放置的是鈣鈦礦混合物層50，其可以包括有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料，形成為CH₃NH₃PbI₃，以及鈣鈦礦材料的任意其它適合的混合物。鄰接鈣鈦礦混合物層50放置的是緩沖層60。緩沖層60可以由[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC₆₁BM)，或任意其它適合的材料——諸如n-型有機半導體材料形成。鄰接緩沖層60放置的是電極或導電層70。電極70由任意適合的導電材料——諸如低逸出功金屬諸如，例如鋁(Al)或鈣(Ca)形成。應當理解，在一些實施方式中，一個或多個層和電極20-70可以布置為直接鄰接另一個層或電極20-70，諸如圖1A中所示的那樣?？蛇x地，在其它實施方式中，層和電極20-70可以這樣布置：使得一個或多個其它介于中間的層或結構可以被插入在光電探測器10的各種層/電極20-70之中或之間的任意位置，以便鄰接或直接鄰接一個或多個層和/或電極20-70。

如此，鈣鈦礦混合物材料，諸如有機鉛鹵化物鈣鈦礦或CH₃NH₃PbI₃，用于鈍化光電探測器10的PbS QD層40中的表面缺陷。這是由于事實：鈣鈦礦混合物材料，諸如CH₃NH₃PbI₃，具有八面體多晶結構，其在大約1nm的尺度內，其足夠小以達到PbS QD的難以進入表面缺陷位點。結果，通過利用CH₃NH₃PbI₃材料填充表面缺陷最小化PbS QD的陷獲態(tài)。另外，CH₃NH₃PbI₃自身作為有效的集光體，其已經(jīng)逐漸的被開發(fā)為有效的光伏操作。因此，光電探測器10作為未冷卻的、超靈敏的和溶液處理的器件，同時提供使用垂直器件結構的寬能帶操作，其中CH₃NH₃PbI₃和PbS QD每個獨立地作為集光體。分別使用光電探測器10，已經(jīng)在可見和近IR(NIR)區(qū)域實現(xiàn)超過300mA/W和130mA/W的響應率(R)以及超過10¹³瓊斯和5×10¹²瓊斯的D*。此外，光電探測器10在室溫下提供高性能、寬能帶操作。

在圖2A中顯示在光電探測器10的一個或多個實施方式中使用的量子點層40的PbS量子點的TEM(透射電子顯微鏡)圖像。如此，使用的PbS量子點的平均直徑為大約5nm，其指示PbS QD的帶隙為大約1.1eV。在圖2B中顯示原始的PbS QD(～100nm)、原始的CH₃NH₃PbI₃(～280nm)和PbS QD(～100nm)/CH₃NH₃PbI₃(～280nm)薄膜的吸收光譜。PbS QD的吸收光譜為從大約375至1100nm?；谖展庾V的起點，PbS QD的能帶隙為大約1.1eV。CH₃NH₃PbI₃有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料的吸收光譜為從大約375至800nm。另外，PbS QD/CH₃NH₃PbI₃的吸收光譜為PbS QD光譜和CH₃NH₃PbI₃光譜的疊加，其指示通過光電探測器10PbS QD對近紅外(NIR)吸收是可響應的。

還評估了作為光伏電池的光電探測器10以評價PbS QD的薄膜厚度對光伏性能的作用。如此，在一個實施方式中構建光電探測器10以具有結構ITO/PEDOT:PS/PbS QD/PC₆₁BM/Al。在圖1C中顯示這樣的器件的電流密度對電壓(J-V)特性。如此，具有大約100nm的PbS QD厚度的光電探測器10具有大約8mA/cm²的最高的短路電流密度(J_SC)。PbS QD的較薄的膜導致不充分的入射光吸收。此外，因為在PbS QD層的較厚的膜中容易引入缺陷，其對J_SC是嚴重不利的，所以由具有較薄或較厚PbS QD的光伏電池觀察到低的J_SC。因此，具有大約100nm厚度的PbS QD可以用于制造光電探測器10。然而，應當理解，光電探測器10可以使用任意其它厚度的PbS QD層40。

在圖1A-B中顯示了光電探測器10的構造和ITO/PEDOT:PS/PbS QD/PC₆₁BM/Al結構中每層的橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。在圖1C中顯示了CH₃NH₃PbI₃和PC₆₁BM的最低未占分子軌道(LUMO)和最高占據(jù)分子軌道(HOMO)能級，PbS QD的導帶(CB)和價帶(VB)，以及PEDOT:PSS和Al的逸出功?；谀軒帕?圖1C)，在PbS QD薄膜中產生光生電子和空穴，然后由于在PbS QD層40和PEDOT:PSS層30之間形成歐姆接觸，電子可被轉移至CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦混合物層50，同時空穴遷移至PEDOT:PSS/ITO電極20、30。另外，由于CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦混合物層50和PC₆₁BM吸電子層(electron extraction layer)60之間的LUMO能量偏移，CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦混合物層50中的光生電子可以被轉移至PC₆₁BM吸電子層(EEL)60，同時由于PbS QD和CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦的匹配的HOMO能級，空穴被傳輸至PbS QD層40并進一步由PEDOT:PSS/ITO電極20、30收集。上述操作過程的協(xié)同作用有助于光電探測器在可見和NIR區(qū)域中的光響應。

還評估了具有ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/Al的器件結構的光電探測器10(確定為PbS QD/CH₃NH₃PbI₃基PD)的光響應，借此在圖3中顯示了其外量子效率(EQE)光譜(光譜響應)。制造具有ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/PC₆₁BM/Al的器件結構的光電探測器10(確定為PbS QD基PD)和具有ITO/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/Al的器件結構的光電探測器10(確定為CH₃NH₃PbI₃基PD)用于比較評價。在圖3中顯示了這些結構的EQE光譜。發(fā)現(xiàn)，CH₃NH₃PbI₃基光電探測器在超過800nm時不顯示光響應率，這與其吸收光譜(圖2B)一致。QD/CH₃NH₃PbI₃基光電探測器具有從可見至NIR(近紅外)區(qū)域的延伸的光響應率。而且，通過比較在從375nm至1100nm的光譜區(qū)域內PbS QD/CH₃NH₃PbI₃基光電探測器10的EQE光譜與PbS QD基光電探測器的EQE光譜，在可見區(qū)域中，光電探測器10的顯著提高的EQE值歸因于CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦光響應，而在NIR中EQE提高來自PbS QD。

為了理解來自PbS QD/CH₃NH₃PbI₃基光電探測器10的伴隨寬能帶光譜響應的提高發(fā)生的物理變化，特別是，NIR光譜響應，使用Mott-Schottky分析。具體地，該分析首先被采用以評估通過摻入CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦混合物層50，PbS QD中摻雜密度(N_d)和耗盡區(qū)(W_p)的寬度如何改變。如此，制造具有ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/PC₆₁BM/Al和ITO/PEDOT:PSS/PbS QD/CH₃NH₃PbI₃/Ca/Al的結構的雙端器件并表征以估算PbS QD/PC₆₁BM和PbS QD/CH₃NH₃PbI₃薄膜中的N_d和W_p。從圖4A和4B中所示能帶排列，在圖4A中，在PbS QD/PC₆₁BM界面處僅形成耗盡區(qū)(此處電容上升)，而在圖4B中，在PbS QD/CH₃NH₃PbI₃界面處形成耗盡區(qū)。在圖4C和4D中顯示了PbS QD/PC₆₁BM光電探測器和PbS QD/CH₃NH₃PbI₃基光電探測器10的Mott-Schottky曲線(vs.偏壓)。其中的插圖顯示了這兩種器件的原始電容(C)對電壓(C-V)特性。然后由耗盡大約值計算在各種施加的偏壓下的結電容。因此，由下面的方程描述C和N_d之間的關系：

其中分別地，C為耗盡區(qū)電容；ε為靜態(tài)電容率，對于PbS QD，其為18；ε₀為真空電容率(permittivity of free space)；N_d為供體的摻雜密度；A為有效面積和V為施加的電壓。計算圖4C和4D中線性區(qū)域的斜率分別為大約4.8×10¹⁷F^-2V^-1和2.5×10¹⁷F^-2V^-1。從這些斜率，對于PbS QD/PC₆₁BM和PbS QD/CH₃NH₃PbI₃薄膜，估算PbS QD中摻雜密度N_d分別為大約1.7×10¹⁷cm^-3和7.8×10¹⁶cm^-3。另外，內建勢被從PbS QD/PC₆₁BM基光電探測器中的0.31eV增加至PbS QD/CH₃NH₃PbI₃基光電探測器中的0.61eV。這樣的高內建勢能夠有效地驅動光生載流子的分離，導致高的光電流。

由下面的方程描述耗盡層寬度(depletion width)：

其中N_a和N_d分別為PbS QD和PC₆₁BM(或CH₃NH₃PbI₃)的摻雜密度。PC₆₁BM和CH₃NH₃PbI₃的摻雜密度分別為大約1.0×10¹⁶cm^-3和2.1×10¹⁷cm^-3。根據(jù)方程2，估算在PbS QD/PC₆₁BM界面處耗盡層寬度為大約75nm，其在PbS QD/CH₃NH₃PbI₃界面處顯著地增加至大約120nm?？紤]到PbS QD薄膜的厚度為大約100nm，其超過PbS QD/PC₆₁BM界面中PbS QD薄膜的耗盡層寬度，對于PbS QD/PC₆₁BM基光電探測器，電子-空穴對復合發(fā)生在PbS QD薄膜中。而對于PbS QD/CH₃NH₃PbI₃基光電探測器10，整個PbS QD薄膜被耗盡，和載流子復合被極大地抑制，導致在可見和NIR區(qū)域二者中增強的EQE光譜響應，如圖3中所示。

使用從C-V曲線提取的能態(tài)密度(DOS)來進一步研究PbS QD的陷獲態(tài)。載流子濃度，n，可以通過對電壓積分C-V曲線被估算。如此，n被描述為：

其中A為器件面積，e為電子電荷和d為薄膜厚度。應當注意，n為將準費米能級分離至相應電壓所需的過量載流子的量，或n可以為需要被填充的中間能隙態(tài)的數(shù)目。因此，DOS的光譜可以通過微分載流子密度與電壓來獲得。圖4E顯示了與PbS QD/PC₆₁BM薄膜中陷獲態(tài)相比光電探測器10的PbS QD/CH₃NH₃PbI₃薄膜中降低的陷獲態(tài)。這樣的降低的陷獲態(tài)指示PbS QD的大部分表面結構缺陷被鈍化，隨后通過CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦混合物材料，PbS QD的中間能隙態(tài)被移除，導致有效率的載流子分離和收集，這是由于載流子復合通常發(fā)生在中間能隙態(tài)中。

為了進一步確認上述結論，研究雙分子復合動態(tài)。通過作為光強度的函數(shù)的J_SC的變化圖解雙分子復合動態(tài)。圖5顯示了PbS QD和PbS QD/CH₃NH₃PbI₃基光電探測器10兩者的J_SC的穩(wěn)態(tài)光強度依賴。從冪函數(shù)擬合，J_SC∝I^α，其中I為光強度，對于PbS QD基光電探測器和PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基光電探測器10，系數(shù)α分別提取為0.86和0.99。此外，α＝1指示在復合之前所有載流子已經(jīng)被清除，而來自α＝1的偏差歸因于PbS QD基光電探測器的雙分子復合。因此，可以得出結論，在利用CH₃NH₃PBI₃鈣鈦礦混合物材料鈍化之后，PbS QD中的雙分子復合被顯著地抑制，其與上面描述的Mott-Shottkey分析和DOS結果一致。因此，PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基光電探測器10中可見和NIR光譜響應的增強源于CH₃NH₃PBI₃的組合功能，其同時鈍化PbS QD的表面上的陷獲態(tài)以及還擴寬PbS QD薄膜層40中耗盡區(qū)，其中PbS QD和CH₃NH₃PBI₃鈣鈦礦混合物材料層50二者均被用作共集光體。

通過在室溫下測量，在黑暗條件下和在以大約500和900nm的波長(λ)的單色光照射下的J-V特性，進一步分析PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基光電探測器10和PbS QD基光電探測器10。在圖5A和5B中顯示了上面的兩種不同的光電探測器的J-V特性。發(fā)現(xiàn)，與PbS QD基光電探測器的9.4×10^-8A/cm²相比，PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基光電探測器10的2.1×10^-9A/cm²的暗電流(J_d)被降低將近兩倍。這些結果確認了PbS QD的表面結構缺陷被具有小分子尺度的鈣鈦礦混合物材料50鈍化，其有效地消除在缺陷位點發(fā)生的泄露電流，其是非常期望的。圖6A和6B還顯示了在以具有0.70mA/cm²的光強度的λ＝900nm的單色光的照射下，PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基光電探測器和PbS QD基光電探測器10的J_ph分別為大約9.3×10^-5A/cm²和6.7×10^-5A/cm²。相對于PbS QD基光電探測器的J_ph較高的來自PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基光電探測器10的J_ph確認了先前的C-V和DOS測量，其與EQE值不一致。

根據(jù)其中J_ph為光電流和L_光為入射光強度，計算來自兩種不同光電探測器的響應率(R)?；诜匠藾*＝R/(2qJ_a)^1/2，估算可探測率(D*)其中q為電子電荷(1.6×10^-19庫倫)的絕對值，和J_d為暗電流密度(A/cm²)。在表1中概括來自這兩種PD的R和D*，在圖7中顯示。分別在λ＝500nm和λ＝900nm處由PbS QD基光電探測器觀察到110mA/W和98mA/W的R，以及6.9×10¹¹瓊斯和4.8×10¹¹瓊斯的D*。分別在λ＝500nm和λ＝900nm處由PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基光電探測器觀察到302mA/W和132mA/W的R，以及1.2×10¹³瓊斯和5.1×10¹²瓊斯的D*。而且，來自PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基光電探測器的器件性能參數(shù)為報道的具有垂直器件結構的PbS QD基光電探測器的最高值。

另外，基于光電探測器的EQE光譜，估算D*對不同波長，其結果在圖6C中顯示。因此，PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基光電探測器10的D*比PbS QD基光電探測器的D*高超過一個數(shù)量級，甚至在NIR區(qū)域。這樣的大的增強是光電探測器10使用的CH₃NH₃PBI₃鈣鈦礦混合物材料50的組合功能的結果，其同時鈍化PbS QD層40的表面陷獲態(tài)以及擴寬PbS QD薄膜層40中的耗盡區(qū)，其分別有助于顯著抑制的暗電流和光電探測器10的增強的光響應。

還測量了光電探測器的光電流密度對入射光強度并在圖6D中顯示結果。根據(jù)方程：LDR＝20log(J*_ph/J_暗)計算線性動態(tài)范圍(LDR)或感光性線性度(通常表示為dB)，其中J*_ph是在1mW/cm²的光強度下測量的光電流。對于PbS QD/CH₃NH₃PbI₃基光電探測器10，LDR超過100dB，其比得上Si光電探測器的LDR(120dB)并明顯高于InGaAs光電探測器的LDR(66dB)。這些結果都證明PbS QD/CH₃NH₃PBI₃基寬能帶光電探測器10能夠具有操作性能，該性能比得上Si光電探測器和InGaAs光電探測器。

因此，光電探測器10的實施方式提供了提高PbS QD基寬能帶光電探測器的性能的簡便方法。利用小分子尺度的CH₃NH₃PbI₃有機鉛鹵化物鈣鈦礦混合物材料鈍化PbS QD的表面結構缺陷不僅顯著地移除PbS QD的能帶隙中的陷獲態(tài)，而且極大地抑制PbS QD/CH₃NH₃PbI₃基光電探測器10的暗電流，其有效地減少復合損耗并因此提高光電探測器的光響應。另外，CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦混合物材料50自身為光吸收體，其在可見區(qū)域貢獻大的光電流。結果，在可見和NIR區(qū)域中光電探測器10展現(xiàn)從375nm至1100nm的寬光譜響應，具有超過300mA/W和130mA/W的高響應率，大于10¹³瓊斯和5×10¹²瓊斯的高可探測率。光電探測器10的實施方式還具有大約100dB的線性動態(tài)范圍。此外，光電探測器10的性能比得上無機光電探測器的性能，并指示本發(fā)明的實施方式的光電探測器10提供用于提高寬能帶光電探測器的簡易的和有前景的途徑。

實驗結果：

材料:

分別從Evident Technology,Inc.、Alfa Aesar和Nano C Inc.購買P-型PbS QD、PBI₂、PC₆₁BM，并且作為接收而沒有進一步凈化使用以形成光電探測器10。在實驗室中合成甲基碘化銨(CH₃NH₃I，MAI)。制備鈣鈦礦前體溶液，借此PbI₂和MAI溶解在二甲基甲酰胺(DMF)和乙醇中，其中PbI₂的濃度為400mg/mL和MAI的濃度為35mg/mL。在大約100℃下加熱所有溶液持續(xù)大約10分鐘以確保MAI和PbI₂二者完全溶解。

薄膜制備和表征:

使用HP 8453分光光度計測量PbS QD、CH₃NH₃PbI₃和PbS QD/CH₃NH₃PbI₃薄膜的紫外可見(UV-vis)光吸收光譜。由Model JEOL-7401日本電子光學實驗室(JEOL)測量橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。由Model JEOL JSM-1230測量俯視透射電子顯微鏡(TEM)圖像。用532nm脈沖激光器作為激發(fā)源，在大約9.743MHz的頻率獲得光致發(fā)光(PL)光譜。PbS QD和CH₃NH₃PbI₃薄膜的厚度通過原子力顯微鏡(AFM)測量。

器件制造:

PEDOT:PSS被自旋澆鑄在預先清潔的ITO基底的頂部，隨后沉積多層PbS QD，然后配體交換。利用的制造過程如下：PbS QD的第一層被從10mg/mL的甲苯溶劑以大約1000RPM持續(xù)20秒旋涂在PEDOT:PSS的頂部上，隨后用1,2-乙二硫醇(EDT)/甲醇溶液(10vol％)沖洗薄膜30秒，并且然后自旋澆鑄持續(xù)大約10秒以干燥膜。通過重復上面的過程制造多層PbS QD以獲得期望的厚度，和然后在空氣中在大約90℃下退火大約3小時以完成處理。CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦混合物薄膜然后通過2步制造方法加工，借此在PbS QD層的頂部上從400mg/mL的DMF溶液以大約3000RPM旋涂PbI₂層大約35秒，然后在大約70℃下干燥薄膜大約5分鐘。在膜冷卻至室溫之后，在PbI₂層的頂部上從35mg/mL的乙醇溶液以大約3000RPM旋涂MAI層大約35秒，隨后立即轉移至電熱板(100℃)。在大約100℃下熱退火大約2小時之后，從20mg/mL的濃度的氯苯溶液以大約1000RPM沉積PC₆₁BM層大約55秒。最后，通過熱蒸發(fā)鋁(AI)(100nm)完成pero-HSC。得到的器件面積限定為大約0.16cm²。

器件表征:

使用Keithley 2400電源單元測量各種光電探測器的電流密度對電壓(J–V)特性。使用太陽能模擬器，在大約500nm的波長以及大約0.80mW/cm²的照射強度和900nm以及大約0.70mW/cm²的照射強度表征光電探測器。利用商業(yè)光調制光譜機構(DSR 100UV-B)測量光電探測器的外量子效率(EQE)，光調制光譜機構包括氙燈、光斷續(xù)器、單色儀、由PC計算機操作的鎖定放大器和校準的Si光電二極管。由Keithley model 82-WIN Simultaneous CV系統(tǒng)測量電容對電壓(C-V)特性。

因此，可見已經(jīng)通過以上呈現(xiàn)的結構和使用其的方法滿足本發(fā)明的實施方式的目標。同時根據(jù)專利法規(guī)，已經(jīng)詳細呈現(xiàn)和描述了僅最佳模式和優(yōu)選實施方式，而應當理解的是本發(fā)明的實施方式不限于此或被此限制。因此，對于發(fā)明的真實范圍和寬度的評價，應當參考權利要求。