基于PbZr0.52Ti0.48O3铁电薄膜的高性能自驱动紫外光电探测器

叶昊熙; 苏嘉韵; 钟日健; 蔡静

doi:10.37188/CJL.20220340

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于PbZr_0.52Ti_0.48O₃铁电薄膜的高性能自驱动紫外光电探测器

器件制备及器件物理 | 更新时间：2023-05-10

- 基于PbZr_0.52Ti_0.48O₃铁电薄膜的高性能自驱动紫外光电探测器
  增强出版
- High-performance Self-powered Ultraviolet Photodetectors Based on Ferroelectric PbZr_0.52Ti_0.48O₃ Thin Films
- 发光学报 2023年44卷第4期页码：685-693
- 作者机构：
  
  1.佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东佛山　528000
  2.佛山科学技术学院粤港澳智能微纳光电技术联合实验室，广东佛山　528000
- 作者简介：
  
  [ "叶昊熙（2001-），男，广东清远人，在读本科生，主要从事光电探测及光学成像方面的研究。E-mail： 1325297857@qq.com" ]
  [ "蔡静（1987-），女，湖南郴州人，硕士，实验师，2013年于暨南大学获得硕士学位，主要从事光电探测及光学成像方面的研究。E-mail： caijing@fosu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  粤港澳智能微纳光电技术联合实验室研究基金(2020B1212030010)
- DOI：10.37188/CJL.20220340
  中图分类号： TN23;O482.31
- 纸质出版日期：2023-04-05，
  
  收稿日期：2022-09-20，
  
  修回日期：2022-10-06，
- 稿件说明：
移动端阅览
叶昊熙,苏嘉韵,钟日健等.基于PbZr_0.52Ti_0.48O₃铁电薄膜的高性能自驱动紫外光电探测器[J].发光学报,2023,44(04):685-693.

YE Haoxi,SU Jiayun,ZHONG Rijian,et al.High-performance Self-powered Ultraviolet Photodetectors Based on Ferroelectric PbZr_0.52Ti_0.48O₃ Thin Films[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(04):685-693.
叶昊熙,苏嘉韵,钟日健等.基于PbZr_0.52Ti_0.48O₃铁电薄膜的高性能自驱动紫外光电探测器[J].发光学报,2023,44(04):685-693. DOI： 10.37188/CJL.20220340.

YE Haoxi,SU Jiayun,ZHONG Rijian,et al.High-performance Self-powered Ultraviolet Photodetectors Based on Ferroelectric PbZr_0.52Ti_0.48O₃ Thin Films[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(04):685-693. DOI： 10.37188/CJL.20220340.

摘要

光电探测器在成像、通信、医疗、环境监测、生物传感等领域具有重要的应用，近年来备受研究人员的关注。采用铁电薄膜材料作为光吸收层，利用铁电极化场驱动载流子定向运动，可以大幅度简化探测器的器件结构，降低探测器的制备成本。本文采用溶胶⁃凝胶方法在掺氟二氧化锡（FTO）衬底上制备了PbZr

0.52

0.48

（PZT）铁电薄膜，并在此基础上获得了高效的自驱动紫外光探测结果。形貌、结构、电学、铁电特性测试结果显示PZT铁电薄膜表面平整、致密、缺陷浓度低、铁电特性优异（室温下，剩余极化为2

r = 35.2 μC/cm

，矫顽电场为 ~ 10

V/cm量级）。进一步构建了性能优异的Au/PZT/FTO结构自驱动光电探测器。在0 V偏压下，探测器的光响应度和比探测率分别为0.072 A/W和4.35 × 10

Jones，光探测性能优于已报道的同类型器件的结果。本文研究结果证实了PZT铁电薄膜基自驱动紫外光电探测器的优越性，并为将来研制器件结构简单、性能优异的自驱动光电探测器提供了一定的借鉴。

Abstract

In recent years， photodetectors have been an important research subject due to their potential applications in imaging， communication， medical analysis， environmental monitoring， and biological sensing. Employing the ferroelectric materials featured with typical ferroelectric polarization as absorbers will simplify the device structure and lower the cost. In the current work， self-powered ultraviolet photodetectors have been fabricated based on ferroelectric PbZr

0.52

0.48

（PZT） thin films. The ferroelectric PZT thin films were prepared using a sol-gel method. Morphological， structural， electrical， and ferroelectric characterizations showed that the as-grown ferroelectric PZT thin films possessed a smooth and dense surface， low density， high remnant polarization（2

r=35.2 μC/cm

） and coercive electric field（~10

V/cm）. On this basis， high-performance self-powered ultraviolet photodetectors with Au/PZT/FTO structure have been fabricated. Interestingly， under the bias voltage of 0 V， the responsivity and detectivity are as high as 0.072 A/W and 4.35×10

Jones， respectively， which are higher than most of state-of-the-art reported results. The results shown in this paper highlight the superiorities of ferroelectric PZT-based self-powered ultraviolet photodetectors and provide a promising strategy for the development of high-performance self-powered photodetectors with simple device structures in future.

关键词

光电探测器自驱动紫外光探测铁电材料PbZr0.52Ti0.48O3

Keywords

photodetectorself-poweredultraviolet photodetectionferroelectricsPbZr0.52Ti0.48O3

references

CHEN J X， OUYANG W X， YANG W， et al. Recent progress of heterojunction ultraviolet photodetectors： materials， integrations， and applications ［J］. Adv. Funct. Mater.， 2020， 30（16）： 1909909-1-18. doi: 10.1002/adfm.201909909http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201909909

ZENG L H， CHEN Q M， ZHANG Z X， et al. Multilayered PdSe2/perovskite schottky junction for fast， self-powered， polarization-sensitive， broadband photodetectors， and image sensor application ［J］. Adv. Sci.， 2019， 6（19）： 1901134-1-9. doi: 10.1002/advs.201901134http://dx.doi.org/10.1002/advs.201901134

BAO C X， YANG J， BAI S， et al. High performance and stable all-inorganic metal halide perovskite-based photodetectors for optical communication applications ［J］. Adv. Mater.， 2018， 30（38）： 1803422-1-8. doi: 10.1002/adma.201870288http://dx.doi.org/10.1002/adma.201870288

XUE J， ZHU Z F， XU X B， et al. Narrowband perovskite photodetector-based image array for potential application in artificial vision ［J］. Nano Lett.， 2018， 18（12）： 7628-7634. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b03209http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b03209

VELLAMPATTI S， REDDEPPA M， DUGASANI S R， et al. High performance UV photodetectors using Nd3+ and Er3+ single- and co-doped DNA thin films ［J］. Biosens. Bioelectron.， 2019， 126： 44-50. doi: 10.1016/j.bios.2018.10.042http://dx.doi.org/10.1016/j.bios.2018.10.042

孙锡娟，夏梦玲，许银生，等. 钙钛矿直接型X射线探测成像研究进展［J］. 发光学报， 2022， 43（7）： 1014-1026. doi: 10.37188/cjl.20220119http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20220119

SUN X J， XIA M L， XU Y S， et al. Research progress of perovskite direct X-ray imaging ［J］. Chin. J. Lumin.， 2022， 43（7）： 1014-1026. （in Chinese）. doi: 10.37188/cjl.20220119http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20220119

CAO F R， MENG L X， WANG M， et al. Gradient energy band driven high-performance self-powered perovskite/CdS photodetector ［J］. Adv. Mater.， 2019， 31（12）： 1806725-1-7. doi: 10.1002/adma.201806725http://dx.doi.org/10.1002/adma.201806725

LEUNG S F， HO K T， KUNG P K， et al. A self-powered and flexible organometallic halide perovskite photodetector with very high detectivity ［J］. Adv. Mater.， 2018， 30（8）： 1704611-1-8. doi: 10.1002/adma.201704611http://dx.doi.org/10.1002/adma.201704611

OUYANG W X， CHEN J X， SHI Z F， et al. Self-powered UV photodetectors based on ZnO nanomaterials ［J］. Appl. Phys. Rev.， 2021， 8（3）： 031315. doi: 10.1063/5.0058482http://dx.doi.org/10.1063/5.0058482

ALZAHRANI H， SULAIMAN K， MAHMOUD A Y， et al. Ultrasensitive self-powered UV photodetector based on a novel p-n heterojunction of solution-processable organic semiconductors ［J］. Synth. Met.， 2021， 278： 116830. doi: 10.1016/j.synthmet.2021.116830http://dx.doi.org/10.1016/j.synthmet.2021.116830

张金月，吕俊鹏，倪振华. 二维材料异质结高灵敏度红外探测器［J］. 中国光学， 2021， 14（1）： 87-99. doi: 10.37188/CO.2020-0139http://dx.doi.org/10.37188/CO.2020-0139

ZHANG J Y， LYU J P， NI Z H. Highly sensitive infrared detector based on a two-dimensional heterojunction ［J］. Chin. Opt.， 2021， 14（1）： 87-99. （in Chinese）. doi: 10.37188/CO.2020-0139http://dx.doi.org/10.37188/CO.2020-0139

解国奥，王亚琦，李根，等. 基于CuSCN/Cs3Bi2I6Br3纳米薄膜的p‐i‐n型光电探测器［J］. 发光学报， 2022， 43（8）： 1256-1265. doi: 10.37188/cjl.20220165http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20220165

XIE G A， WANG Y Q， LI G， et al. All-inorganic p-i-n photodetector based on lead-free CuSCN/Cs3Bi2I6Br3 nanofilm ［J］. Chin. J. Lumin.， 2022， 43（8）： 1256-1265. （in Chinese）. doi: 10.37188/cjl.20220165http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20220165

陈洪宇，尚慧明，戴明金，等. InSe/Se范德瓦尔斯异质结的可控制备及其高响应度广光谱光电探测器［J］. 发光学报， 2019， 40（11）： 1409-1416. doi: 10.3788/fgxb20194011.1409http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20194011.1409

CHEM H Y， SHANG H M， DAI M J， et al. Controlled fabrication InSe/Se Van Der Waals heterojunction for high responsivity broadband photodetectors ［J］. Chin. J. Lumin.， 2019， 40（11）： 1409-1416. （in Chinese）. doi: 10.3788/fgxb20194011.1409http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20194011.1409

苏子生，张璐，胡跃，等. 2D/3D混合Sn基钙钛矿SnO2异质结光探测器［J］. 发光学报， 2022， 43（7）： 1121-1129. doi: 10.37188/cjl.20220107http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20220107

SU Z S， ZHANG L， HU Y， et al. Photodetectors based on a 2D/3D hybrid tin perovskite/SnO2 heterojunction ［J］. Chin. J. Lumin.， 2022， 43（7）： 1121. （in Chinese）. doi: 10.37188/cjl.20220107http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20220107

PERIYANAGOUNDER D， GNANASEKAR P， VARADHAN P， et al. High performance， self- powered photodetectors based on a graphene/silicon Schottky junction diode ［J］. J. Mater. Chem. C， 2018， 6（35）： 9545-9551. doi: 10.1039/c8tc02786bhttp://dx.doi.org/10.1039/c8tc02786b

曲家沂，王云鹏，孙俊杰，等. 光损伤肖特基钙钛矿探测器的光电特性分析［J］. 中国光学（中英文）， 2022， 15（4）： 668-674. doi: 10.37188/co.2021-0196http://dx.doi.org/10.37188/co.2021-0196

QU J Y， WANG Y P， SUN J J， et al. Analysis of photoelectric characteristics of a light-damaged Schottky perovskite detector ［J］. Chin. Opt.， 2022， 15（4）： 668-674. （in Chinese）. doi: 10.37188/co.2021-0196http://dx.doi.org/10.37188/co.2021-0196

DING J， FANG H J， LIAN Z P， et al. A self-powered photodetector based on a CH3NH3PbI3 single crystal with asymmetric electrodes ［J］. CrystEngComm， 2016， 18（23）： 4405-4411. doi: 10.1039/c5ce02531ahttp://dx.doi.org/10.1039/c5ce02531a

CHEN H Y， LIU K W， CHEN X， et al. Realization of a self-powered ZnO MSM UV photodetector with high responsivity using an asymmetric pair of Au electrodes ［J］. J. Mater. Chem. C， 2014， 2（45）： 9689-9694. doi: 10.1039/c4tc01839ghttp://dx.doi.org/10.1039/c4tc01839g

PERUMAL VEERAMALAI C， YANG S Y， ZHI R N， et al. Solution-processed， self-powered broadband CH3NH3PbI3 photodetectors driven by asymmetric electrodes ［J］. Adv. Opt. Mater.， 2020， 8（15）： 2000215. doi: 10.1002/adom.202000215http://dx.doi.org/10.1002/adom.202000215

DONG L P， YU J G， JIA R X， et al. Self-powered MSM deep-ultraviolet β-Ga2O3 photodetector realized by an asymmetrical pair of Schottky contacts ［J］. Opt. Mater. Exp.， 2019， 9（3）： 1191-1199. doi: 10.1364/ome.9.001191http://dx.doi.org/10.1364/ome.9.001191

NEAMEN D A. Semiconductor Physics and Devices： Basic Principles ［M］. 3rd ed. Boston： McGraw-Hill， 2003.

KIM D， HAN H， LEE J H， et al. Electron-hole separation in ferroelectric oxides for efficient photovoltaic responses ［J］. Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2018， 115（26）： 6566-6571. doi: 10.1073/pnas.1721503115http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1721503115

LIU Y， YE S， XIE H C， et al. Internal-field-enhanced charge separation in a single-domain ferroelectric PbTiO3 photocatalyst ［J］. Adv. Mater.， 2020， 32（7）： 1906513-1-7. doi: 10.1002/adma.201906513http://dx.doi.org/10.1002/adma.201906513

MARTIN L W， RAPPE A M. Thin-film ferroelectric materials and their applications ［J］. Nat. Rev. Mater.， 2016， 2（2）： 16087. doi: 10.1038/natrevmats.2016.87http://dx.doi.org/10.1038/natrevmats.2016.87

YUAN Y B， XIAO Z G， YANG B， et al. Arising applications of ferroelectric materials in photovoltaic devices ［J］. J. Mater. Chem. A， 2014， 2（17）： 6027-6041. doi: 10.1039/c3ta14188hhttp://dx.doi.org/10.1039/c3ta14188h

ZHANG Y， CHEN J， CAI Y X， et al. Depolarization electric field and poling voltage‐modulated Pb，La（Zr，Ti）O3-based self-powered ultraviolet photodetectors ［J］. J. Am. Ceram. Soc.， 2021， 104（2）： 928-935. doi: 10.1111/jace.17542http://dx.doi.org/10.1111/jace.17542

LI J K， GE C， JIN K J， et al. Self-driven visible-blind photodetector based on ferroelectric perovskite oxides ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2017， 110（14）： 142901-1-5. doi: 10.1063/1.4979587http://dx.doi.org/10.1063/1.4979587

QI J， MA N， MA X C， et al. Enhanced photocurrent in BiFeO3 materials by coupling temperature and thermo-phototronic effects for self-powered ultraviolet photodetector system ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（16）： 13712-13719. doi: 10.1021/acsami.8b02543http://dx.doi.org/10.1021/acsami.8b02543

QI H Y， XIA X， ZHOU C L， et al. Ferroelectric properties of the flexible Pb（Zr0.52Ti0.48）O3 thin film on mica ［J］. J. Mater. Sci.： Mater. Electron.， 2020， 31（4）： 3042-3047. doi: 10.1007/s10854-019-02848-yhttp://dx.doi.org/10.1007/s10854-019-02848-y

SHOGHI A， ABDIZADEH H， SHAKERI A， et al. Sol⁃gel synthesis of PZT thin films on FTO glass substrates for electro-optic devices ［J］. J. Sol⁃Gel Sci. Technol.， 2020， 93（3）： 623-632. doi: 10.1007/s10971-019-05121-0http://dx.doi.org/10.1007/s10971-019-05121-0

JUAN T P C， CHEN S M， LEE J Y M. Temperature dependence of the current conduction mechanisms in ferroelectric Pb（Zr0.53，Ti0.47）O3 thin films ［J］. J. Appl. Phys.， 2004， 95（6）： 3120-3125. doi: 10.1063/1.1646441http://dx.doi.org/10.1063/1.1646441

PUTZEYS T， WÜBBENHORST M. Asymmetric polarization and hysteresis behaviour in ferroelectric P（VDF-TrFE）（76∶24）copolymer thin films spatially resolved via LIMM ［J］. Phys. Chem. Chem. Phys.， 2015， 17（12）： 7767-7774. doi: 10.1039/c4cp06033dhttp://dx.doi.org/10.1039/c4cp06033d

YIN S Q， LIU A D， ZHANG Y Y， et al. Improved properties of Pb（Zr0.52Ti0.48）O3 films by hot plate annealing on LaNiO3 bottom electrode ［J］. J. Sol⁃Gel Sci. Technol.， 2020， 96（1）： 83-90. doi: 10.1007/s10971-020-05378-whttp://dx.doi.org/10.1007/s10971-020-05378-w

MA N， YANG Y. Boosted photocurrent in ferroelectric BaTiO3 materials via two dimensional planar-structured contact configurations ［J］. Nano Energy， 2018， 50： 417-424. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.05.069http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.05.069

MA N， ZHANG K W， YANG Y. Photovoltaic⁃pyroelectric coupled effect induced electricity for self-powered photodetector system ［J］. Adv. Mater.， 2017， 29（46）： 1703694-1-10. doi: 10.1002/adma.201703694http://dx.doi.org/10.1002/adma.201703694

QI J， MA N， YANG Y. Photovoltaic-pyroelectric coupled effect based nanogenerators for self-powered photodetector system ［J］. Adv. Mater. Interfaces， 2018， 5（3）： 1701189. doi: 10.1002/admi.201701189http://dx.doi.org/10.1002/admi.201701189

CHEN J， YOU D， ZHANG Y， et al. Highly sensitive and tunable self-powered UV photodetectors driven jointly by p-n junction and ferroelectric polarization ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（48）： 53957-53965. doi: 10.1021/acsami.0c15816http://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c15816

冯秋菊，解金珠，董增杰，等. 单根磷掺杂β-Ga2O3微米线日盲紫外探测器性能［J］. 发光学报， 2021， 42（11）： 1653-1660. doi: 10.37188/cjl.20210291http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210291

FENG Q J， XIE J Z， DONG Z J， et al. Performance of a single phosphorus-doped β-Ga2O3 microwire solar-blind ultraviolet photodetector ［J］. Chin. J. Lumin.， 2021， 42（11）： 1653-1660. （in Chinese）. doi: 10.37188/cjl.20210291http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210291

王丽嫣，刘可为，陈星，等. 基于Ag微孔阵列结构电极的MgZnO紫外探测器制备和特性［J］. 发光学报， 2021， 42（2）： 201-207. doi: 10.37188/cjl.20200362http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20200362

WANG L Y， LIU K W， CHEN X， et al. Fabrication and characteristics of MgZnO ultraviolet detector based on Ag microporous array structure electrode ［J］. Chin. J. Lumin.， 2021， 42（2）： 201-207. （in Chinese）. doi: 10.37188/cjl.20200362http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20200362

陈星，周畅，刘可为，等. 基于宽禁带半导体氧化物微纳材料的紫外探测器研究进展［J］. 中国光学（中英文）， 2022， 15（5）： 912-928. doi: 10.37188/co.2022-0132http://dx.doi.org/10.37188/co.2022-0132

CHEN X， ZHOU C， LIU K W， et al. Review of ultraviolet photodetectors based on micro/nano-structured wide bandgap semiconductor oxide ［J］. Chin. Opt.， 2022， 15（5）： 912-928. （in Chinese）. doi: 10.37188/co.2022-0132http://dx.doi.org/10.37188/co.2022-0132

YUAN Y W， CHEN M M， YANG S H， et al. Improved CsPbBr3 visible light photodetectors via decoration of sputtered Au nanoparticles with synergistic benefits ［J］. Nano Sel.， 2022， 3（1）： 178-187. doi: 10.1002/nano.202100117http://dx.doi.org/10.1002/nano.202100117

浏览量

197

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

Ag纳米线增强硒微米管/聚噻吩自驱动光电探测器性能

具有宽带⁃窄带双功能探测模式的光电探测器

掺银硫系玻璃光电探测器响应波长特性研究