Fotodetektor Fleksibel Tinggi Berbasis Perovskit Anorganik CsPbI₃₋ₓBrₓ yang Diproses dengan Larutan
Abstrak
Perovskit halogen anorganik sisa lead cesium, CsPbI3‑xBrx, telah muncul sebagai materi yang menjanjikan untuk fotodetektor thanks to karakteristik optoelektronik yang sederhana dan fabrikasi berbasis larutan. Di sini, kami menunjukkan fotodetektor fleksibel yang dibuat dengan pendekatan berbasis larutan yang dimodifikasi yang memberikan rasio on/off 104, detektivitas ~1012 Jones, dan waktu naik/penurunan sub-100-µs pada bias 10 mV di bawah iluminasi 520 nm. Perangkat mempertahankan performa setelah 30 hari di udara terbuka (35–45 % RH) dan setelah 100 siklus lentur pada radius 9,12 mm, yang menekankan kerobustan mekanis dan stabilitas lingkungan mereka. Hasil ini menyoroti perovskit CsPbI3‑xBrx sebagai platform yang menarik untuk teknologi fotodeteksi fleksibel generasi depan yang biaya rendah.
Pendahuluan
Selama dua dekade terakhir, semiconductor anorganik seperti InGaAs, GaN, ZnO, dan Si telah mendominasi penelitian fotodetektor karena sifat optik dan listrik yang superior, yang menghasilkan detektivitas tinggi dan waktu respons yang cepat. Namun, protokol pertumbuhan yang kompleks dan biaya peralatan yang tinggi menghambat komersialisasi skala besar. Akibatnya, ada permintaan yang meningkat untuk alternatif yang biaya rendah dan dapat diskalakan yang tetap mempertahankan performa tinggi.
Perovskit halogen hibrid (HHPs) telah menarik perhatian yang besar dalam fotovoltaik, dengan efisiensi konversi daya meningkat dari 3,8 % menjadi lebih dari 23 % dalam satu dekade, didorong oleh jarak energi optimal, koefisien absorpsi yang tinggi, dan transportasi penguat ambipoler. Meskipun potensi fotodeteksi mereka, HHPs menderita stabilitas lingkungan yang buruk, yang membatasi penerapan praktis. Di sisi lain, perovskit halogen lead cesium anorganik (IHPs) menunjukkan stabilitas udara yang superior, membuatnya ideal untuk aplikasi fotodetektor. Sementara CsPbI3 degradasi di atas 300 °C, substitusi parsial iodida dengan bromida (membentuk CsPbI3‑xBrx) menstabilkan fase perovskit dan menyesuaikan jarak energi.
Dalam studi ini, kami memproduksi fotodetektor fleksibel menggunakan film CsPbI3‑xBrx yang diproses dengan larutan (x = 1, 2). Perangkat yang enak menunjukkan respons cepat (90 µs/110 µs untuk CsPbI2Br dan 100 µs/140 µs untuk CsPbIBr2), rasio on/off tinggi (~104), dan detektivitas yang luar biasa (~1012 Jones) pada bias 10 mV. Mereka juga menunjukkan fleksibilitas mekanis dan ketahanan lingkungan yang luar biasa, memosisikan CsPbI3‑xBrx sebagai calon yang kuat untuk teknologi fotodetektor fleksibel.
Metode
Bahan
Iodida lead (PbI2, 99,99 %), bromida lead (PbBr2, 99,99 %), iodida cesium (CsI, 99,99 %), dan bromida cesium (CsBr, 99,99 %) diperoleh dari Xi’an Polymer Light Technology Corporation. Eter dietil (DEE), aseton, etanol murni, N,N-dimetilformamida (DMF), dan dimetil sulfoksida (DMSO) dibeli dari Sigma-Aldrich.
Pra-kursor perovskit disiapkan di bawah atmosfer iners. Untuk CsPbI2Br, 1 M CsBr, 1 M PbBr2, 2 M CsI, dan 2 M PbI2 dilarutkan dalam campuran volume 9:1 DMSO anhidra dan DMF, kemudian diaduk pada 75 °C selama >2 jam. CsPbIBr2 mengikuti protokol serupa dengan 2 M CsBr, 2 M PbBr2, 1 M CsI, dan 1 M PbI2.
Persiapan
Substrat fleksibel poliimida (PI) dibersihkan secara berurutan dalam aseton, etanol murni, dan air deion selama 15 menit, kemudian dikeringkan oven. Elektroda emas interdigitat (80 nm) ditapkan termal pada PI. Substrat dirawat UV-ozon selama 20 menit sebelum dipindahkan ke glove box nitrogen untuk depo film. Film CsPbI3‑xBrx dicelupkan dengan spin-coating (80 µL pra-kursor, 2000 rpm, 60 s) dengan tetes anti-larutan DEE 0,5 mL 10 detik sebelum selesai spin-coating. Film dianil pada 65 °C selama 5 menit, kemudian 135 °C selama 15 menit.
Pengukuran dan Karakterisasi
Citra SEM dilakukan dengan FEI-INSPECT F50 field-emission SEM. XRD dikumpulkan pada Bede D1 menggunakan radiasi Cu Kα. Spektrum absorpsi UV-vis dicatat dengan Shimadzu UV-3101 PC. Karakteristik arus-tegangan diukur menggunakan Keithley 2636 di bawah iluminasi laser 520 nm. Fotostrom transien ditangkap dengan osiloskop Agilent DOS5012A dan pemotong optik. Semua pengukuran dilakukan pada suhu kamar dalam kondisi udara.
Hasil dan Pembahasan
Untuk mencapai film perovskit berkualitas tinggi, protokol spin-coating satu langkah dengan anti-larutan DEE digunakan. Gambar 1 menunjukkan citra SEM tampilan atas film CsPbI3‑xBrx dengan dan tanpa perlakuan DEE. Tanpa DEE, film menunjukkan banyak lubang kecil dan butiran kecil; dengan DEE, permukaan menjadi kontinu dan butiran membesar, mengonfirmasi bahwa DEE secara signifikan meningkatkan morfologi.
Citra SEM film CsPbI3‑xBrx: (a) CsPbI2Br, (b) CsPbIBr2 tanpa DEE; (c) CsPbI2Br, (d) CsPbIBr2 dengan DEE.
Pola XRD (Gambar 2a) mengonfirmasi pembentukan orthorombik CsPbIBr2 (puncak pada 14,75°, 20,94°, 29,96°, 34,93°) dan tetragonal CsPbI2Br (puncak pada 14,44°, 20,30°). Spektrum absorpsi UV-vis (Gambar 2b) mengungkapkan pergeseran biru yang modest untuk CsPbIBr2 relatif terhadap CsPbI2Br, yang disebabkan oleh incorporasi bromida. Analisis Tauc menghasilkan jarak energi 1,91 eV (CsPbI2Br) dan 2,05 eV (CsPbIBr2), sesuai dengan nilai literatur.
(a) Pola XRD; (b) spektrum absorpsi; (c) jarak energi CsPbI2Br; (d) jarak energi CsPbIBr2.
Arsitektur perangkat (Gambar 3a) terdiri dari PI/elektroda emas interdigitat yang dilapisi CsPbI3‑xBrx. Di bawah iluminasi 520 nm, fotostrom dihasilkan melalui transportasi penguat di seluruh lapis perovskit (Gambar 3b). Pengukuran fotostrom (Gambar 3c,d) menunjukkan arus maksimum 180 µA (CsPbI2Br) dan 120 µA (CsPbIBr2) pada intensitas iluminasi 8,23 mW cm−2, yang dicapai pada bias hanya 10 mV. Respons transien (Gambar 3e,f) menghasilkan waktu naik/penurunan 90 µs/110 µs (CsPbI2Br) dan 100 µs/140 µs (CsPbIBr2), yang lebih unggul daripada perangkat fleksibel yang sebelumnya dilaporkan.
(a) Struktur perangkat; (b) skema transportasi penguat; (c) I–t CsPbI2Br; (d) I–t CsPbIBr2; (e) waktu naik/jatuh untuk CsPbI2Br; (f) waktu naik/jatuh untuk CsPbIBr2.
Karakterisasi listrik (Gambar 4) menunjukkan perilaku I–V simetris dari –5 V hingga +5 V, yang menunjukkan kontak ohmik dan hambatan antarmuka yang mengabaikan. Pada bias rendah, perangkat mencapai rasio on/off ~104. Responsivitas dan detektivitas (Gambar 4c,d) mencapai puncak 1012 Jones pada 10 mV, melebihi fotodetektor fleksibel CsPbBr3 sebelumnya (1010 Jones pada 2 V) dan fotodetektor tunggal kristal CsPbBr3 rigid (1011 Jones).
Kurva I–V perangkat (a) CsPbI2Br, (b) CsPbIBr2; responsivitas dan detektivitas (c) CsPbI2Br, (d) CsPbIBr2 pada 10 mV.
Uji stabilitas (Gambar 5) mengungkapkan bahwa setelah 30 hari di udara terbuka (35–45 % RH), kurva I–t berubah <3 %. Lentur mekanis (100 siklus pada radius 9,12 mm) menyebabkan penurunan performa yang tidak berarti <2–3 %. Hasil ini mengonfirmasi integritas struktural dan ketahanan lingkungan fotodetektor CsPbI3‑xBrx.
Kurva I–t yang dapat direproduksi setelah 30 hari di udara: (a) CsPbI2Br, (b) CsPbIBr2; setelah 100 lentur: (c) CsPbI2Br, (d) CsPbIBr2.
Kesimpulan
Kami telah memproduksi fotodetektor fleksibel menggunakan film CsPbI3‑xBrx (x = 1, 2) yang diproses dengan larutan dan diobati DEE. Perangkat mencapai rasio on/off 104, waktu respons 90–140 µs, dan detektivitas ~1012 Jones pada bias 10 mV. Pentingnya, fotodetektor mempertahankan performa setelah 30 hari dalam kondisi udara dan setelah 100 siklus lentur, menunjukkan stabilitas lingkungan dan fleksibilitas mekanis. Temuan ini mendirikan perovskit CsPbI3‑xBrx sebagai platform yang robust dan biaya rendah untuk fotodeteksi fleksibel berkinerja tinggi.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang digunakan dalam studi ini tersedia dari penulis yang bertanggung jawab atas permintaan yang wajar.
