一种合金量子点PbSxSe1-x的制备方法及其光电探测器件

本发明涉及量子点材料领域，具体公开了一种组分调节吸收波长的合金量子点pbsxse1-x的制备方法及其光电探测器件。

背景技术：

1、量子点是一种“准零维”的半导体纳米材料，量子点又被称为“人造原子”，它导带上的电子、价带上的空穴和激子在三个维度上被束缚。其典型尺寸一般仅有1nm-10nm。量子点三个维度上的尺寸通常小于其对应块材半导体的激子波尔半径的两倍，具有分离的量子化能谱，因此产生了不同于宏观物质的独特的物理化学性质，同时也改变了其光电特性。

2、量子点最具特点的物理特性就是可以通过人工控制合成条件来改变量子点的尺寸，从而改变量子点的禁带宽度，一些特定类型的量子点可以利用近红外波段的太阳光拓展光吸收范围。这是一个与块材材料迥然不同的特点。除此以外，由量子点的低维性引起的物理效应还有量子尺寸效应、表面效应、量子隧穿效应、库伦阻塞效应、多激子效应等。

3、固溶体量子点(合金量子点)是将两个晶体结构相同的二元量子点半导体混溶，得到结构均匀，性质介于两个原始二元化合物之间的半导体量子点。固溶体最重要的特点是其性质能通过改变组分的含量而发生改变。pbs与pbse的固溶体pbsxse1-x量子点由于它优异的光学性能：如强的非线性，快速的光响应时间等而在光电器件方面受到重视。而我们之所以能够将pbs和pbse进行组合形成合金量子点，是由于pbs和pbse均是岩盐结构(通过xrd表征可知)且具有相似的晶格常数(pbs和pbse分别为和)，二者原子阴离子半径彼此差距在15％以内，以及二者之间的晶格失配因子仅为2％。

4、传统二元量子点pbs与pbse量子点基本上是通过控制反应时间来调整量子点的带隙或者说吸收峰，以达到不同波长的光电探测的应用。但针对热注入法合成传统二元量子点pbs和pbse，其在较大尺寸(>7nm)和较小尺寸(<3nm)的量子点合成时，会出现形貌和尺寸均匀性较差的问题。也就是说在pbs和pbse量子点本身的吸收可调整波长极限附近的器件性能往往不佳。而合金量子点pbsxse1-x有望在合成相对可控的尺寸范围(3-7nm)内通过组分调节进行量子点带隙的调节(通过吸收峰反映)。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术问题是传统的二元量子点pbs和pbse，其在较大尺寸(>7nm)和较小尺寸(<3nm)的量子点合成时，会出现形貌和尺寸均匀性较差的问题，pbs和pbse量子点本身的吸收可调整波长极限附近的器件性能往往不佳。

2、本发明的主要目的在于提供一种pbsxse1-x合金量子点制备方法，通过合金量子点原料配比、合成温度及注入时间三者加以控制，能够得到在相同尺寸下通过组分调节进行一定范围内的量子点带隙调整(通过吸收峰反映)并基于此制备了合金量子点横向光电探测器件。

3、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种pbsxse1-x合金量子点的制备方法，具体步骤如下：

4、s1：前驱体的制备；在氮气环境下升温至110℃制备铅前驱体，将铅源溶于油酸、十八烯混合溶液得到铅前驱体；将硒粉溶于三正辛基膦溶液得到硒前驱体，将六甲基二硅硫烷与十八烯混合得到硫前驱体，然后在无氧环境下将硒前驱体与硫前驱体充分搅拌得到硫硒混合前驱体；

5、s2：在150-180℃的环境下，将硫硒混合前驱体注入到铅前驱体中反应，通过注入淬灭剂正己烷控制反应时间以控制量子点粒径大小，形成吸收波长可控的合金量子点溶液；

6、s3：合金量子点溶液降温至50-70℃时，加入卤化物溶液钝化缺陷，通过离心干燥后得到合金量子点pbsxse1-x。

7、上述方案中，所述铅源包括氧化铅、氯化铅、碘化铅中的一种或其混合物。

8、上述方案中，前驱体中的硫硒与铅的摩尔比为1:2。

9、上述方案中，所述卤化物是氯化铵、溴化铵、碘化铵中的一种或其混合物溶于极性溶剂中所得。

10、上述方案中，正己烷淬灭时间点为硫硒前驱体注入后的1-5min。

11、上述方案中，在所述提纯量子点过程中，让溶液自然冷却至室温，再加入极性溶剂，经离心后通过正己烷沉淀，重复离心沉淀，最后干燥。所述极性溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇一种或其混合物。

12、上述方案中，所述合金量子点粒径为3-7nm。

13、一种应用合金量子点pbsxse1-x的横向光电探测器件，包括硅衬底、金属电极、量子点吸收层；其中硅衬底上表面为金属电极，金属电极之间通过沟道隔离，沟道为量子点吸收层，所述量子点吸收层为合金量子点pbsxse1-x。

14、上述方案中，所述硅衬底为外延硅，n硅上外延p硅；所述金属电极为铝电极。

15、一种应用合金量子点pbsxse1-x的横向光电探测器件的制备方法如下：

16、s101：在硅衬底上通过光刻曝光显影把电极图形化，而后采用直流磁控溅射制备金属电极；

17、s102：将蒸镀好金属电极的硅衬底放置在盛有丙酮的烧杯中,在加热下用超声波清洗，通过lift-off工艺剥离多余的光刻胶；

18、s103：将合金量子点pbsxse1-x旋涂至金属电极间的沟道处。

19、上述方案中，所述步骤s103旋涂时转速1000r/min，时长10s，然后转速3000r/min，时长30s。

20、本发明的有益效果是：以热注入法为基础，通过控制硫硒前体配比、反应温度和反应时间，合成了相同尺寸不同吸收峰的合金量子点，能够得到在相同尺寸下通过组分调节进行一定范围内的量子点带隙调整(通过吸收峰反映)，并基于此进行了光电探测器件的制备，获得了组分调节量子点吸收波长的光电探测器。该器件能直接通过调整合金量子点的组分从而在一定波长范围内自由调节进行光电探测。

技术特征：

1.一种合金量子点pbsxse1-x的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种合金量子点pbsxse1-x的制备方法，其特征在于，所述铅源包括氧化铅、氯化铅、碘化铅中的一种或其混合物。

3.根据权利要求1所述的一种合金量子点pbsxse1-x的制备方法，其特征在于，卤化物溶液是氯化铵、溴化铵、碘化铵中的一种或其混合物溶于极性溶剂中所得。

4.根据权利要求1所述的一种合金量子点pbsxse1-x的制备方法，其特征在于，所述合金量子点pbsxse1-x粒径为3-7nm。

5.根据权利要求1所述的一种合金量子点pbsxse1-x的制备方法，其特征在于，所述正己烷的淬灭时间点为硫硒前驱体注入后的1-5min。

6.一种应用合金量子点pbsxse1-x的横向光电探测器件，包括硅衬底、金属电极、量子点吸收层；其中硅衬底上表面为金属电极，金属电极之间通过沟道隔离，沟道为量子点吸收层，其特征在于，所述量子点吸收层为合金量子点pbsxse1-x。

7.根据权利要求6所述的一种应用合金量子点pbsxse1-x的横向光电探测器件，其特征在于，所述硅衬底为外延硅，n硅上外延p硅；所述金属电极为铝电极。

8.根据权利要求6所述的一种应用合金量子点pbsxse1-x的横向光电探测器件，其特征在于，所述横向光电探测器件的制备方法如下：

9.根据权利要求8所述的一种应用合金量子点pbsxse1-x的横向光电探测器件，其特征在于，所述步骤s103旋涂时转速1000r/min，时长10s，然后转速3000r/min，时长30s。

技术总结本发明涉及量子点材料领域，具体公开了一种合金量子点制备方法及其在光电探测领域的应用思路。量子点因其可通过控制其尺寸从而控制其吸收峰和带隙近年来广泛应用于光电探测领域，但大尺寸量子点合成及性能稳定性仍存在一定的问题。而合金量子点本身具备可通过控制合成过程中S和Se的组分配比来调整其吸收峰和带隙。因此通过合金量子点原料配比、合成温度及注入时间三者加以控制，能够得到在相同尺寸下进行一定范围内的量子点带隙调整(通过吸收峰反映)，并在器件上进行初步应用。技术研发人员：吴志明,陈杨越,王军,储德超,董翔,庹涛受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11