本發(fā)明涉及光電探測(cè)器，具體涉及一種基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、光電探測(cè)器作為光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的核心元件，廣泛應(yīng)用于成像傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。傳統(tǒng)硅基光電探測(cè)器雖技術(shù)成熟，但其制備工藝復(fù)雜、成本高昂，且依賴外接電源驅(qū)動(dòng)，難以滿足柔性電子、可穿戴設(shè)備等新興場(chǎng)景對(duì)器件輕薄化、低功耗的需求。近年來，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料因其具備高光吸收系數(shù)、可調(diào)帶隙及溶液法制備等優(yōu)勢(shì)，成為新一代光電探測(cè)器的研究熱點(diǎn)。
2、目前，鈣鈦礦光電探測(cè)器的實(shí)際應(yīng)用仍面臨諸多技術(shù)瓶頸，如光吸收效率不足，鈣鈦礦薄膜厚度通常需達(dá)到數(shù)百納米以實(shí)現(xiàn)充分吸光，但厚膜會(huì)增加載流子傳輸距離，導(dǎo)致復(fù)合損失加劇。雖然引入等離激元納米結(jié)構(gòu)(如au/ag顆粒)可通過局部場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)來提升光捕獲能力，但現(xiàn)有技術(shù)多將金屬納米顆粒嵌入鈣鈦礦層內(nèi)部或作為獨(dú)立基底，其共振波長匹配性差，且納米顆粒與鈣鈦礦界面處易產(chǎn)生缺陷態(tài)，反而降低器件性能。自驅(qū)動(dòng)機(jī)制不完善：現(xiàn)有自供電鈣鈦礦探測(cè)器多依賴異質(zhì)結(jié)或肖特基接觸的內(nèi)建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)載流子分離，但鈣鈦礦材料表面缺陷態(tài)密度高，從而導(dǎo)致界面復(fù)合嚴(yán)重。此外，傳統(tǒng)對(duì)稱電極設(shè)計(jì)(如全ag或全au電極)無法形成有效的內(nèi)建電場(chǎng)，需依賴外接偏壓才能工作，這嚴(yán)重限制了其低功耗應(yīng)用。鈣鈦礦材料對(duì)水氧、光照及熱應(yīng)力極為敏感，現(xiàn)有鈍化技術(shù)多在鈣鈦礦表面旋涂有機(jī)絕緣層，但厚層包覆會(huì)阻礙載流子傳輸，薄層則難以實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于目前存在的上述不足，本發(fā)明提供一種基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器及其制備方法，本發(fā)明通過創(chuàng)新性構(gòu)造設(shè)計(jì)，在透明襯底上依次構(gòu)筑金屬納米陣列、鈣鈦礦單晶薄膜層、超薄的sio2鈍化層及垂直非對(duì)稱金屬電極，該設(shè)計(jì)通過等離激元共振效應(yīng)增強(qiáng)光吸收效率，結(jié)合鈍化層抑制界面缺陷，并利用不同功函數(shù)電極組合形成強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，最終實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度、低暗電流的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器。該器件無需外置電壓，兼具柔性特性，為智能傳感、柔性電子等領(lǐng)域提供了可靠解決方案。
2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，所述自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器包括從下至上依次層疊的透明襯底、等離激元層、隔離層、鈣鈦礦單晶薄膜層、鈍化層和垂直非對(duì)稱金屬電極；所述等離激元層為周期性排列的au球狀納米顆粒陣列或ag球狀納米顆粒陣列；所述隔離層為錫的氧化物；所述鈣鈦礦單晶薄膜層為甲基碘化銨單晶薄膜；所述鈍化層為二氧化硅；所述垂直非對(duì)稱金屬電極由功函數(shù)不同的電極材料組成，且高功函數(shù)電極位于低功函數(shù)電極的上方。
3、依照本發(fā)明的一個(gè)方面，所述垂直非對(duì)稱金屬電極擊穿所述鈍化層直接接觸所述鈣鈦礦單晶薄膜層的上表面。
4、依照本發(fā)明的一個(gè)方面，所述透明襯底為聚酰亞胺，厚度為200-500μm。
5、依照本發(fā)明的一個(gè)方面，所述錫的氧化物包括二氧化錫、氧化亞錫中的至少一種，厚度為20-30nm。
6、依照本發(fā)明的一個(gè)方面，所述au球狀納米顆粒陣列或ag球狀納米顆粒陣列中的納米顆粒的直徑為3-5nm，陣列間距為10-20nm。
7、依照本發(fā)明的一個(gè)方面，所述高功函數(shù)電極為ni；所述低功函數(shù)電極為ag。
8、依照本發(fā)明的一個(gè)方面，所述鈣鈦礦單晶薄膜層的厚度為400-600nm；所述鈍化層的厚度為5-8nm。
9、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了上述基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟：
10、s1、在透明襯底上真空熱蒸發(fā)ag或au粉末，并經(jīng)退火后，得到附著ag或au球狀納米顆粒陣列的透明襯底；
11、s2、在所述附著ag或au球狀納米顆粒陣列的透明襯底上磁控濺射一層錫的氧化物；并在錫的氧化物上經(jīng)一步旋涂法原位生長甲基碘化銨單晶薄膜；并在所述甲基碘化銨單晶薄膜上磁控濺射一層sio2鈍化層；
12、s3、在所述sio2鈍化層上真空熱蒸發(fā)蒸鍍ag電極，再在ag電極上通過電子束脈沖沉積ni電極，即獲得垂直非對(duì)稱金屬電極。
13、依照本發(fā)明的一個(gè)方面，步驟s1中，所述真空熱蒸發(fā)的速率為0.1-0.15a/s；所述退火的溫度為230-270℃，時(shí)間為8-25min；步驟s2中，所述磁控濺射的真空艙內(nèi)壓強(qiáng)為1×10-4-5×10-4pa，濺射功率為25-30w，壓力為0.7-0.9pa，濺射時(shí)間為10-50s；步驟s3中，所述真空熱蒸發(fā)的速率為0.20-0.30a/s。
14、本發(fā)明的有益效果：
15、(1)本發(fā)明的等離激元光場(chǎng)增強(qiáng)與sno2介電調(diào)控協(xié)同提升光捕獲效率、sio2鈍化與sno2隔離雙管齊下實(shí)現(xiàn)缺陷“靜態(tài)中和+動(dòng)態(tài)阻斷”、垂直非對(duì)稱電極與能級(jí)梯度設(shè)計(jì)構(gòu)建載流子超快輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，三者協(xié)同優(yōu)化形成閉環(huán)，使器件光響應(yīng)度(0.48a/w)、探測(cè)率(3.48×1013jones)與穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)同步突破。
16、(2)本發(fā)明構(gòu)建了一種“光場(chǎng)調(diào)控-缺陷抑制-載流子驅(qū)動(dòng)”的全鏈路優(yōu)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了一種基于等離激元共振效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，為智能傳感、柔性電子等低功耗光電傳感領(lǐng)域提供了一種新的解決方案。
17、(3)本發(fā)明通過等離激元層、sno2隔離層、sio2鈍化層、ag/ni垂直非對(duì)稱電極的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效載流子的傳輸與光電轉(zhuǎn)換。其中sio2鈍化層以原子級(jí)包覆精準(zhǔn)中和鈣鈦礦表面缺陷、阻斷水氧侵蝕，其階梯能級(jí)結(jié)構(gòu)還可同時(shí)促進(jìn)電子隧穿并阻擋空穴回流，降低界面復(fù)合。垂直非對(duì)稱電極利用ag(4.3ev)與ni(5.2ev)的功函數(shù)差形成強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)光生載流子沿小于1μm垂直路徑快速分離，相較傳統(tǒng)平面非對(duì)稱電極橫向傳輸路徑縮短50倍以上。通過缺陷鈍化、電場(chǎng)強(qiáng)化與物理隔離的三重機(jī)制，進(jìn)一步提高了鈣鈦礦光電探測(cè)的光響應(yīng)度，為高靈敏、低功耗光電探測(cè)提供了一種新的解決方案。
1.一種基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，其特征在于，所述自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器包括從下至上依次層疊的透明襯底、等離激元層、隔離層、鈣鈦礦單晶薄膜層、鈍化層和垂直非對(duì)稱金屬電極；所述等離激元層為周期性排列的au球狀納米顆粒陣列或ag球狀納米顆粒陣列；所述隔離層為錫的氧化物；所述鈣鈦礦單晶薄膜層為甲基碘化銨單晶薄膜；所述鈍化層為二氧化硅；所述垂直非對(duì)稱金屬電極由功函數(shù)不同的電極材料組成，且高功函數(shù)電極位于低功函數(shù)電極的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，其特征在于，所述垂直非對(duì)稱金屬電極擊穿所述鈍化層直接接觸所述鈣鈦礦單晶薄膜層的上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，其特征在于，所述透明襯底為聚酰亞胺，厚度為200-500μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，其特征在于，所述錫的氧化物包括二氧化錫、氧化亞錫中的至少一種，厚度為20-30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，其特征在于，所述au球狀納米顆粒陣列或ag球狀納米顆粒陣列中的納米顆粒的直徑為3-5nm，陣列間距為10-20nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，其特征在于，所述高功函數(shù)電極為ni；所述低功函數(shù)電極為ag。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，其特征在于，所述鈣鈦礦單晶薄膜層的厚度為400-600nm；所述鈍化層的厚度為5-8nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于等離激元效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)的自驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦光電探測(cè)器，其特征在于，步驟s1中，所述真空熱蒸發(fā)的速率為0.1-0.15a/s；所述退火的溫度為230-270℃，時(shí)間為8-25min；步驟s2中，所述磁控濺射的真空艙內(nèi)壓強(qiáng)為1×10-4-5×10-4pa，濺射功率為25-30w，壓力為0.7-0.9pa，濺射時(shí)間為10-50s；步驟s3中，所述真空熱蒸發(fā)的速率為0.20-0.30a/s。