中科院纳米所王强斌、杨红超JACS：P型掺杂AgAuSe量子点实现高效P-N同质结光电探测
学术
2024-11-12 23:03
浙江
在量子点光电器件中，由相同成分和晶体结构的量子点材料制成的p-n同质结可以提供胶体稳定性、能带连续性，和优异的界面传输。因此，对量子点中载流子类型的控制是其光电器件应用的关键，也是一项重要且具有挑战性的任务。近期，我们报道了一种新型的环境友好型近红外荧光AgAuSe（AAS）量子点的合成，该量子点具有超过87%的绝对光致发光量子产率，并展示了其在太阳能电池和LED中的应用潜力。然而，与众多Ag基量子点一样，AAS也属于典型的n-type量子点。因此，迫切需要稳定的p-type AAS量子点来推进其在光电器件中的潜在应用。在此，中科院纳米所王强斌研究员/杨红超副研究员报道了通过简单阳离子交换反应合成具有等价K杂质掺杂的p-type AAS（KAAS）量子点，在最佳掺杂量为22.2%（K/Ag）时，KAAS量子点的Femi能级被微调到价带附近，并在场效应晶体管（FET）器件中显示出典型的p-type行为。第一性原理计算表明，K+与相邻的Ag+和Au+阳离子之间的库仑排斥产生了（Ki2−VAu−2VAg）受主型缺陷复合物，这导致AAS量子点中受体型缺陷形成能量的降低和载流子极性的反转。然后，通过制备基于AAS量子点薄膜的p−n同质结光电二极管，该器件在零偏压下具有2.29 × 1013 Jones的高室温探测率（D*），线性动态范围（LDR）为103 dB，光谱敏感区域为300 ~ 1200 nm。该研究为无毒重金属银基量子点的空穴掺杂策略提供了新的见解，并为其未来的p-n同质结和光电子器件制造奠定了基础。该研究以题为“p‑Type AgAuSe Quantum Dots”的论文发表在《Journal of the American Chemical Society》上。碱金属杂质由于其尺寸的灵活性是被广泛研究的p-type掺杂剂。其中，K+具有与Ag+、Au+相似的离子半径（Ag+: 0.115 nm, Au+: 0.137 nm, K+: 0.133 nm），有利于K通过晶格扩散进入AAS晶体。通过TEM、EDS、XRD以及XPS等表征证实得到的KAAS量子点保持了原始AAS量子点的尺寸和晶体结构，并成功掺杂。同时结合吸收发射光谱、UPS能谱并组装成场效应晶体管验证出KAAS量子点具有典型的p-type行为。为了更好地理解KAAS量子点 p-type掺杂的原因，对AAS量子点中的点缺陷性质进行了第一性原理计算。在各种天然缺陷中，由Ag离子的高迁移率引起的大量Ag空位（VAg）被确定为Ag基半导体主要的受主型缺陷。经计算发现，在KAAS量子点中，间隙K杂质（Ki1和Ki2）与Au空位（VAu）和VAg形成的Ki2-VAu-2VAg复合物（电子的受体）相比于VAg和VAu缺陷具有更低的形成能，多个银离子和金离子空位作为受主型复合物缺陷更有效的发挥了作用。在成功合成p-type KAAS量子点的基础上，我们将其应用于室温、溶液处理、无毒、超薄的p−n同质结光探器件中。然后，正如KPFM和莫特-肖特基分析所证实的那样，基于AAS量子点p−n同质结构建了一个强大的内置电场，以促进电荷提取。由此产生的光电二极管显示出优越的器件性能，包括极低暗电流密度（4.85 × 10−7 mA/cm2 @0 V）和室温归一化探测率（D*）为2.29 × 1013 jones。总结：本文提出了一种通过简单阳离子交换的碱金属离子掺杂策略，将n-type AgAuSe量子点转化为p-type KAgAuSe量子点。通过光致发光、x射线光电子能谱和紫外光电子能谱分析证实了p-type载流子的特性。第一性原理计算表明，当与银的高迁移率引起的AAS中大量的阳离子空位结合时，K杂质优先占据间隙位置并形成复合的缺陷，从而作为浅受体增强p-type电导率。同时，制备了一种基于AAS量子点的p−n同质光电二极管器件，其室温探测率高达2.29 × 1013 Jones，线性动态范围超过103 dB。该研究为未来使用环境友好型银基量子点设计p−n同质结提供了指导，并进一步释放了它们在先进光电器件应用中的潜力。论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c10691
