Fotodetektor Perovskit Berkinerja Tinggi melalui Arsitektur Trilayer EA/TiO₂

Abstrak

Perovskit halide timur dipuji karena serapan optik yang luar biasa, umur pembawa yang panjang, dan panjang difusi yang tinggi, sehingga ideal untuk detektor cahaya. Perangkat logam oksida, logam sulfida, dan materi 2D tradisional memberikan responsivitas yang layak namun sering menderita arus gelap tinggi, respons yang lambat, rasio on-off terbatas, dan stabilitas jangka panjang yang buruk. Di sini kami memperkenalkan arsitektur trilayer lateral—CH₃NH₃PbBr₃/ethanolamin/TiO₂ (dicampur dalam etanol)—yang secara signifikan meningkatkan performa. Lapisan perantara ethanolamin memfasilitasi ekstraksi elektron yang efisien dan menekan rekombinasi. Desain ini mencapai arus gelap 1,5 × 10⁻¹¹ A, rasio on-off 2700, detektivitas 1,51 × 10¹² Jones, responsivitas 0,13 A W⁻¹, dan stabilitas lingkungan yang baik, melebihi perangkat satu lapis konvensional. Pekerjaan ini memberikan jalur yang jelas untuk meningkatkan performa detektor cahaya perovskit halide logam.

Pendahuluan

Detektor cahaya mendasari berbagai teknologi—dari komunikasi optik dan sensorik biomedis hingga pemantauan lingkungan. Dalam beberapa tahun terakhir, perovskit halide timur organometalik telah muncul sebagai bahan terdepan karena koefisien serapan tinggi, umur pembawa yang panjang, dan panjang difusi yang diperluas, semuanya sangat penting untuk deteksi cahaya yang efisien. Detektor cahaya perovskit vertikal telah mendominasi bidang ini, namun sering menunjukkan arus gelap yang signifikan (≈1,5 nA) dan responsivitas yang terbatas. Arsitektur lateral, di sisi lain, menawarkan kehilangan konduksi yang lebih rendah dan pembuatan yang lebih sederhana serta lebih murah.

Detektor cahaya perovskit satu lapis, namun, biasanya menampilkan rasio on-off rendah, arus gelap yang tinggi, dan ketidakstabilan listrik. Upaya sebelumnya—seperti menggabungkan polimer organik atau memodifikasi antarmuka heterojunt—telah mengurangi beberapa masalah ini tetapi masih ada ruang untuk perbaikan. Tantangan inti terletak pada merancang lapisan antarmuka yang menyelaraskan level energi, mengurangi rekombinasi, dan meningkatkan transportasi pembawa.

Dalam studi ini, kami menyajikan perangkat trilayer lateral yang menampilkan lapisan dipol ethanolamin (EA) antara perovskit dan TiO₂. EA mengurangi ketidaksesuaian rintang energi, meningkatkan ekstraksi elektron, dan menekan rekombinasi, resulting in a device yang menunjukkan metrik performa yang jauh lebih unggul.

Hasil dan Pembahasan

Detektor cahaya satu lapis dan trilayer diproduksi pada substrat kaca (Gambar 1a, b). Proses dimulai dengan spin-coating TiO₂ alkohol (dicampur 1:16 v/v dengan etanol) diikuti dengan depositasi lapisan EA, kemudian elektroda Al 60 nm (lebar saluran = 2000 µm, panjang = 30 µm). Akhirnya, film MAPbBr₃ 60 nm diterapkan. Gambar 1c menampilkan gambar optik perangkat trilayer yang dirancang.

Difraksi sinar X mengonfirmasi keurnyahan fase MAPbBr₃ dalam film satu lapis dan trilayer, dengan puncak khas pada 15,16°, 30,32°, 46,04°, dan 62,76°. Fase sekunder (misalnya, PbBr₂ atau TiO₂) tidak terdeteksi dalam tumpukan trilayer. Spektra serapan UV–vis (Gambar 2b) menunjukkan profil yang identik untuk kedua jenis perangkat, dengan selang bentang 2,3 eV dan serapan yang mengabaikan dari lapis TiO₂ atau EA.

Pemitraan SEM mengungkapkan bahwa pengkalian suhu tinggi (>100 °C) memperkenalkan lubang dan retakan, yang bertindak sebagai pusat rekombinasi. Pengoptimalan pengkalian perovskit pada 75 °C selama 10 menit menghasilkan film padat dan bebas retakan dengan kristal besar (Gambar 3b), sehingga meningkatkan pemisahan dan transportasi pembawa.

Pengukuran UPS menetapkan level Fermi dan bentang konduksi maksimum dari tiga lapis: TiO₂ alkohol (E_F = 3,84 eV, CBM = 3,81 eV), EA (E_F = 4,35 eV, CBM = 3,62 eV), dan MAPbBr₃ (E_F = 5 eV, CBM = 3,4 eV). Diagram bentang yang dihasilkan (Gambar 4d) menunjukkan bahwa foto-elektron yang dihasilkan mengalir dari MAPbBr₃ ke EA dan kemudian ke TiO₂, sementara lubang tetap berada dalam perovskit, secara efektif menekan rekombinasi.

Respons listrik (Gambar 4e,f) menunjukkan bahwa perangkat trilayer mencapai arus gelap 1,51 × 10⁻¹¹ A dan arus foto 4,09 × 10⁻⁸ A—arus gelap yang jauh lebih rendah dan arus foto yang lebih tinggi dibandingkan MAPbBr₃ satu lapis (gelap: 1,41 × 10⁻¹⁰ A; foto: 9,95 × 10⁻⁹ A) dan kontrol berbasis TiO₂ (gelap: 1,24 × 10⁻⁸ A). Pengurangan rekombinasi pada antarmuka MAPbBr₃/EA adalah kunci dari perbaikan ini. Rasio perovskit terhadap EA yang optimal ditemukan adalah 1:1.

Responsivitas (R) dan detektivitas (D*) dihitung menggunakan Eq. (1) dan (2). Perangkat trilayer menunjukkan R = 0,13 A W⁻¹ dan D* = 1,51 × 10¹² Jones di bawah iluminasi 0,5 mW cm⁻² dan bias 5 V, sedangkan perangkat satu lapis mencatat R = 0,03 A W⁻¹ dan D* = 1,19 × 10¹¹ Jones. Pengukuran spektral (Gambar 5c,d) menunjukkan responsivitas puncak 0,33 A W⁻¹ dan detektivitas 4,46 × 10¹² Jones pada 520 nm untuk perangkat trilayer, dengan efisiensi kuantitas eksternal (EQE) hingga 80 persen (Gambar 5e).

Rasio sinis-ke-bisning (SNR) dan rentang dinamis linier (LDR) lebih menekankan keunggulan perangkat. Detektor trilayer mencapai SNR = 2700 dan LDR = 68,6 dB, melebihi satu lapis dengan SNR = 69 dan LDR = 36,9 dB.

Eksperimen pengalihan on-off (Gambar 6) menunjukkan bahwa perangkat trilayer mencapai arus foto yang stabil dalam 0,49 detik dan menurun dalam 1,17 detik, sedangkan perangkat satu lapis menunjukkan naik (0,72 detik) dan turun (1,72 detik) yang lebih lambat. Respons cepat dikaitkan dengan pemisahan pembawa yang efisien di seluruh heterojunt.

Stabilitas lingkungan dievaluasi selama 30 hari pada kelembaban relatif 30–40 persen. XRD dan spektrum serapan tetap tidak berubah (Gambar 7a,b), dan karakteristik I–V (Gambar 7c) menunjukkan drif yang dapat diabaikan, menekankan keandalan arsitektur trilayer.

Secara singkat, perangkat trilayer perovskit/EA/TiO₂ menghasilkan D* = 1,51 × 10¹² Jones, rasio on-off = 2700, R = 0,13 A W⁻¹, waktu naik/turun 0,49/1,17 detik, LDR = 68,6 dB, dan EQE hingga 80 persen. Heterojunt yang dirancang dan lapisan perantara EA secara efektif menekan rekombinasi pembawa, menghasilkan performa yang unggul dibandingkan detektor cahaya kristal tunggal, materi 2D, dan logam oksida konvensional. Strategi ini menawarkan jalan yang menjanjikan untuk detektor cahaya perovskit berkinerja tinggi generasi mendatang.

Metode/Eksperimental

Persiapan Bahan

PbBr₂ dan CH₃NH₃Br diperoleh dari Xi’an Polymer Light Technology Corporation. DMF, DMSO, ethanolamin, dan 2-metoksiethanol dibeli dari Alfa Aesar. TiO₂ (larutan sol-gel 10 persen dalam etanol, partikel 30 nm) berasal dari InnoChem. Slide kaca (SAIL BRAND) berfungsi sebagai substrat. Semua reagen digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.

TiO₂ dalam Alkohol

TiO₂ dicairkan 1:16 (v/v) dengan etanol dan diaduk selama 1 jam pada suhu ruangan. TiO₂ alkohol yang dihasilkan digunakan sebagai lapisan transportasi elektron untuk mengatasi perilaku pemblokir pembawa dari film TiO₂ padat.

Ethanolamin

Larutan EA 3 wt persen disiapkan dengan mencampur EA dengan 2-metoksiethanol, mengikuti protokol yang established.

Perovskit

Larutan CH₃NH₃PbBr₃ 1 M dibentuk dengan bereaksi CH₃NH₃Br dan PbBr₂ (1:1 w/w) dalam campuran DMSO/DMF 1:4 (v/v), kemudian diaduk pada 70 °C selama malam hari.

Pembuatan Perangkat

Substrat kaca dibersihkan secara berurutan dengan detergen, air tisu, IPA, aseton (20 menit masing-masing), dikeringkan di bawah N₂, dan diselesaikan dengan plasma O₂ (15 menit). TiO₂ alkohol di spin-coated (4000 rpm, 30 detik), dikali pada 150 °C selama 30 menit. EA dalam 2-metoksiethanol di spin-coated (3000 rpm, 40 detik) dan dikali pada 130 °C selama 10 menit. Elektroda Al 60 nm (lebar saluran = 2000 µm, panjang = 30 µm) diavaporkan termal melalui masker bayang. MAPbBr₃ ditetapkan melalui spin-coating dua langkah: 1000 rpm (10 detik) → 5000 rpm (30 detik), dengan titik toluen pada 22 detik.

Karakterisasi

Pengukuran listrik menggunakan Keithley 4200 di kondisi lingkungan, 300 K. Iluminasi cahaya putih disediakan oleh sumber cahaya dingin XZ-150WA; intensitas dikalibrasi dengan fotodioda silikon. Cahaya monokromatik berasal dari sumber Newport Oriel 200. SEM (Hitachi S-4800), serapan UV–vis (JASCO V-570), UPS (KRATOS AXIS ULTRA DLD, He I 21,22 eV), dan XRD (Rifaku D/MAX-2004, Cu Kα, λ = 1,54178 Å) mengkarakterisasi film.

Kesimpulan

Kami telah merancang detektor cahaya perovskit/EA/TiO₂ trilayer lateral yang mencapai metrik rekor: D* = 1,51 × 10¹² Jones, rasio on-off = 2700, R = 0,13 A W⁻¹, waktu naik/turun 0,49/1,17 detik, LDR = 68,6 dB, dan EQE = 80 persen. Lapisan perantara ethanolamin mengurangi rintang energi, mempromosikan ekstraksi elektron yang efisien, dan menekan rekombinasi, sementara TiO₂ alkohol menyediakan saluran transportasi elektron yang kuat. Arsitektur ini memberikan performa yang unggul dibandingkan perangkat kristal tunggal, materi 2D, dan logam oksida konvensional, dan menunjukkan stabilitas jangka panjang di bawah kondisi lingkungan. Studi ini menekankan peran kritis rekayasa heterojunt dalam meningkatkan teknologi detektor cahaya perovskit.

Singkatan

EA:

Ethanolamin

EQE:

Efisiensi kuantitas eksternal

LDR:

Rentang dinamis linier

PCBM:

Phenyl-C61-butyric acid methyl ester

PMMA:

Polimetil metakrilat

SEM:

Mikroskopi elektron pemindai

SNR:

Rasio sinis-ke-bisning

UPS:

Spektroskopi fotoelektron ultraviolet

XRD:

Difraksi sinar X