自驱动光电响应的Ruddlesden-Popper型层状钙钛矿的设计合成与性能研究

作     者：马钰 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙志华

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：自驱动 杂化钙钛矿 铁电 光电探测 

摘      要：自驱动光电探测指无需提供外部能源即可实现光电响应的一个过程,在信息通讯、近场成像、军事监视等领域中起着越来越重要的作用。近年来具有极性结构的Ruddlesden-Popper（RP）型层状材料,其通式为（A ）（A）B_nX,特别是铁电材料,通过自发极化形成较强的内建电场促进载流子输运,在自驱动光电探测领域展现出潜在的应用前景。本文将极性RP型层状钙钛矿作为主要研究对象,以实现自驱动光电探测为功能导向,通过调控无机骨架组装类型与骨架层数（即n值）,设计合成了多例具有极性结构的RP型层状化合物,并对该系列化合物的晶体结构、铁电、光学以及半导体光电性能等进行了系统性研究。主要内容如下:（1）以APb Br骨架为模板,通过“化学嵌入第二有机配体作为A -位阳离子设计合成了三例具有极性结构的RP型双层（n=2）化合物,分别是（CHNH）（NHCHNH）PbBr（1）,[（CH）CH（CH）NH]（NHCHNH）PbBr（2）和(CHNO)（CHNH）PbBr（3）。这三例化合物的光学吸收与带隙没有显著差异,均表现出优异的半导体光电特性。基于2D钙钛矿铁电体（1）组装晶体器件表现出优异的自驱动光电探测性能,实现了82 n W/cm的极低检测下限,优于许多传统的p-n结形式的自驱动探测器。相关工作有力推动了RP型层状钙钛矿铁电体在智能光电器件方面的发展。（2）调控无机骨架组装类型与骨架层数（n值）获得了两例具有极性结构的RP型三层钙钛矿化合物（n=3）,[（CH）CH（CH）NH]（CHCHNH）PbBr（4）和（CHNH）（CHNH）PbCl（5）。两者有着相似的晶体结构,有机阳离子的有序-无序转变诱导产生4/mmm Fmm2的对称性破缺铁电相变,表现出显著的铁电效应。以化合物4为代表研究了材料的铁电与光电性能,基于铁电光伏效应,其晶体器件对偏振光具有优良的自驱动探测行为,偏振比为1.26。该研究工作为拓展RP型层状钙钛矿铁电体在新一代光电探测器方面的应用提供了重要参考。（3）采用异价金属替代的设计策略(即MM=2M)构筑极性RP型层状双金属钙钛矿,获得了两例化合物(CHN)Ag Bi Br（6）和(CHN)Cs Ag Bi Br（7）。在晶体结构上,Ag Br和Bi Br八面体交替排列形成无机层,层间有机阳离子交替排布形成独特的量子阱结构。系统地研究了两个化合物的光学、半导体特性及光电性能,均表现出明显的自驱动响应行为。这项工作揭示了极性RP型双金属钙钛矿在自驱动光电探测领域的潜在应用价值。