基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器及其制备方法
阅读说明：本技术 基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器及其制备方法 (Perovskite quantum dot photoelectric detector based on MXene nanosheet optimization and preparation method thereof ) 是由 李明钰 吕海飞 文晓艳 刘思思 李灏 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器及其制备方法,涉及光电探测器领域。该基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法包括以下步骤：将碳化钛纳米材料和CsPbBr-(3)量子点溶液混合得到混合液；将混合液旋涂到玻璃基片表面,对旋涂有混合液的玻璃基片进行退火,重复上述步骤多次得到光敏层；对具有光敏层的玻璃基片镀金得到电极。本申请提供的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器具有稳定性强、光电流强度和光响应度高的优点,能够在环境中长期保存。(A perovskite quantum dot photoelectric detector based on MXene nanosheet optimization and a preparation method thereof relate to the field of photoelectric detectors. The preparation method of the perovskite quantum dot photoelectric detector based on MXene nanosheet optimization comprises the following steps: mixing titanium carbide nano material and CsPbBr 3 Mixing the quantum dot solution to obtain a mixed solution; spin-coating the mixed solution on the surface of a glass substrate, annealing the glass substrate coated with the mixed solution in a spin-coating manner, and repeating the steps for multiple times to obtain a photosensitive layer; and gold plating the glass substrate with the photosensitive layer to obtain the electrode. The perovskite quantum dot photoelectric detector based on MXene nanosheet optimization that this application provided has that stability is strong, photocurrent intensity and light responsivity are high advantage, can preserve for a long time in the environment.)
技术领域
本申请涉及光电探测器领域，具体而言，涉及一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器及其制备方法。
背景技术
铅基钙钛矿作为一类新型的半导体光电材料具有优异的光电性能，其具有极高的光吸收系数、可调谐的带隙、长的载流子寿命和扩散长度以及较高的载流子迁移率，这些优异的特性使得铅基钙钛矿材料在太阳能电池、光电探测器、半导体激光器和发光二极管等光电器件领域得到巨大的应用。
有机无机钙钛矿(如MAPbX3,X＝Cl,Br,I)具有优异的光电特性，但是其性能通常受环境温度和湿度的影响，并且此类钙钛矿大多都需要在惰性气体的保护下合成和使用以保持其长周期的稳定性，导致其使用受到一定的限制。无机钙钛矿(CsPbBr3)的量子点温度稳定性比其他有机钙钛矿量子点温度稳定性高，但其量子点薄膜高的陷阱密度和低的载流子迁移率限制了它在光电探测器领域的应用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器及其制备方法，能够大量生产得到稳定性强、光电流强度和光响应度高的钙钛矿量子点光电探测器。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请实施例提供一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
将碳化钛纳米材料和CsPbBr3量子点溶液混合得到混合液；
将混合液旋涂到玻璃基片表面，对旋涂有混合液的玻璃基片进行退火，重复上述步骤多次得到光敏层；
对具有光敏层的玻璃基片镀金得到电极。
在一些可选的实施方案中，CsPbBr3量子点溶液的制备方法是：将Cs+前驱体加入2-丙醇和正己烷的混合物中，随后搅拌并加入Pb2+前驱体后离心分离得到CsPbBr3量子点，将CsPbBr3量子点分散到甲苯中得到CsPbBr3量子点溶液。
在一些可选的实施方案中，碳化钛纳米材料的制备方法是：将Ti3AlC2粉末和氟化锂混合后加入盐酸溶液中搅拌充分反应，过滤后使用去离子水冲洗至pH≥6得到黑色沉淀物，将黑色沉淀物分散到二甲亚砜和去离子水的混合液中搅拌24h以上，随后过滤使用去离子水冲洗得到多层碳化钛，将多层碳化钛分散至去离子水内在氩气环境下超声处理、离心后真空干燥得到碳化钛纳米材料。
在一些可选的实施方案中，混合液涂覆到玻璃基片表面之前，使用紫外光对玻璃基片表面进行清洗。
在一些可选的实施方案中，将混合液旋涂到玻璃基片表面时，以800-1200r/min以上的速度旋转玻璃基片，并将混合液以2-3μL/S的速度滴到玻璃基片上。
在一些可选的实施方案中，退火的温度为100-150℃，退火的时间为0.5-2min。
在一些可选的实施方案中，将碳化钛纳米材料和CsPbBr3量子点溶液混合得到的混合液涂覆到玻璃基片表面，对涂覆有混合液的玻璃基片进行退火，重复上述步骤8-10次以上。
在一些可选的实施方案中，CsPbBr3量子点溶液的质量浓度为50-100mg/mL；碳化钛纳米材料和CsPbBr3量子点溶液混合时的质量体积比为0.05-0.5mg：1ml。
本申请还提供了一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器，其是使用上述的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法制备得到。
本申请的有益效果是：本实施例提供的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法包括以下步骤：将碳化钛纳米材料和CsPbBr3量子点溶液混合得到混合液；将混合液旋涂到玻璃基片表面，对旋涂有混合液的玻璃基片进行退火，重复上述步骤多次得到光敏层；对具有光敏层的玻璃基片镀金得到电极。本实施例提供的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器具有稳定性强、光电流强度和光响应度高的优点，能够在环境中长期保存。本实施例提供的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法工艺简单、重复性强，在空气环境中就可大量生产制备。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法制备得到的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的结构示意图。
图中：100、玻璃基体；110、Ti3C2TX纳米片；120、CsPbBr3量子点膜；130、金电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器及其制备方法进行具体说明。
本实施例提供了一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器及其制备方法，基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法包括以下步骤：
将碳化钛纳米材料和CsPbBr3量子点溶液混合得到的混合液旋涂到玻璃基片表面，对旋涂有混合液的玻璃基片进行退火，重复上述步骤多次得到光敏层；可选的，CsPbBr3量子点溶液的制备方法是：将Cs+前驱体加入2-丙醇和正己烷的混合物中，随后搅拌并加入Pb2+前驱体后离心分离得到CsPbBr3量子点，将CsPbBr3量子点分散到甲苯中得到CsPbBr3量子点溶液。可选的，Cs+前驱体的制备方法是：将Cs2CO3粉末和丙酸以1.8-7.2mmol：2-6ml的比例混合制备得到；可选的，Pb2+前驱体的制备方法是：将1.25-3.75mmol的PbBr2粉末溶于5-15ml的丁胺、2-丙醇、丙酸的混合溶剂中得到，混合溶剂中丁胺、2-丙醇、丙酸的体积比为1-2：1-2：1-2。可选的，Cs+前驱体、2-丙醇、正己烷、Pb2+前驱体混合时的体积比为100μL：20mL：40mL：1080μL。可选的，碳化钛纳米材料的制备方法是：将Ti3AlC2粉末和氟化锂混合后加入盐酸溶液中搅拌充分反应，过滤后使用去离子水冲洗至pH≥6得到黑色沉淀物，将黑色沉淀物分散到二甲亚砜和去离子水的混合液中搅拌24h以上，随后过滤使用去离子水冲洗得到多层碳化钛，将多层碳化钛分散至去离子水内在氩气环境下超声处理、离心后真空干燥得到碳化钛纳米材料。可选的，Ti3AlC2粉末和氟化锂混合时的质量比为1-5：1；Ti3AlC2粉末和氟化锂的混合物与盐酸混合时的质量体积比为1g：2-50ml；可选的，黑色沉淀物分散到二甲亚砜和去离子水的混合液时的质量体积比为：1g：20-30mL：250-300ml；可选的，混合液涂覆到玻璃基片表面之前，使用紫外光对玻璃基片表面进行清洗。可选的，将混合液旋涂到玻璃基片表面时，以800-1200r/min以上的速度旋转玻璃基片，并将混合液以2-3μL/S的速度滴到玻璃基片上。可选的，退火的温度为100-150℃，退火的时间为0.5-2min。可选的，重复上述步骤的次数为8-10次以上。可选的，CsPbBr3量子点溶液的质量浓度为50-100mg/mL；碳化钛纳米材料和CsPbBr3量子点溶液混合时的质量体积比为0.05-0.5mg：1ml。
对具有光敏层的玻璃基片镀金得到电极。可选的，镀金时使用磁控溅射的方法。
如图1所示，本实施例还提供了一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器，其是采用上述的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法制备得到，其包括玻璃基体100、设于玻璃基体100表面的掺杂有Ti3C2TX纳米片110的CsPbBr3量子点膜120及设于掺杂有Ti3C2TX纳米片110的CsPbBr3量子点膜120表面的金电极130。
本实施例提供的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法使用无机钙钛矿CsPbBr3作为光敏材料，采用Cs原子替代MA基团来有效的的提升钙钛矿量子点光电探测器的稳定性，并掺入碳化钛纳米材料以利用局域表面等离子体共振效应增强量子点光电探测器薄膜内部光场，从而产生更多的光子被光敏层吸收转变成光生载流子，有效的提高外部量子效率，使制备得到的钙钛矿量子点光电探测器具有更好的稳定性能够长时间保存，并有效的提高其光电流强度和光响应度，同时本实施例提供的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法具有工艺简单、重读性强、在空气环境中就可稳定制备的优点。
以下结合实施例对本申请的钙钛矿量子点光电探测器的制备方法的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器，其是采用以下方法制备得到的：
在玻璃瓶中加入0.05mg碳化钛纳米片粉末，再加入1mL的CsPbBr3量子点溶液，充分震荡使碳化钛纳米片均匀分散至CsPbBr3量子点溶液中，即制得0.05mg/mL的碳化钛纳米片掺杂的CsPbBr3量子点溶液。其中，CsPbBr3量子点溶液制备方法是：将2.3472gCs2CO3粉末溶于4ml丙酸中制备Cs+前驱体，将1.835gPbBr2粉末溶于10ml丁胺、2-丙醇、丙酸以1：1：1的体积比混合制成的溶剂中制备Pb2+前驱体，随后将100μLCs+前驱体迅速加入20mL2-丙醇和40mL正己烷的混合液中，并在剧烈搅拌下进一步加入1080μL上述制备的Pb2+前驱体，随后以1500r/min和2000r/min的速度两次离心分离得到CsPbBr3量子点并分散在甲苯中，得到CsPbBr3量子点溶液。碳化钛纳米片的制备方法是：将2gTi3AlC2粉末和2g氟化锂添加到40ml的9mol/L盐酸内在25℃下搅拌24h充分反应，过滤后使用去离子水冲洗至pH≥6得到黑色沉淀物，将得到的每1g黑色沉淀物分散到20mL二甲亚砜溶液(DMSO)和280mL去离子水混合组成的溶液中搅拌24h，随后过滤使用去离子水冲洗去除残留的DMSO得到多层碳化钛，将得到的多层碳化钛在去离子水和氩气条件下超声处理300min，随后在8000rpm左右下离心15min后在60℃真空干燥12h得到碳化钛纳米片。
玻璃基片的清洗和改性：用洗洁精清洗干净2.5×2.5cm的玻璃表面的油污，再用去离子水完全洗净表面的洗洁精后使用超声波处理10min，再使用乙醇浸泡并超声波处理10min，最后使用丙酮浸泡并超声波处理10min，洗干净的玻璃基片用氮气吹干后放入紫外臭氧等离子体清洗机中改性5min。
掺杂钙钛矿量子点薄膜制备：将清洗干净的玻璃基片放置在旋涂机上，设置转速为1000r/min，旋涂时间1min，在玻璃基片上滴加150μL的掺杂溶液后开始旋涂，完成旋涂后在120℃下退火1min，重复上述步骤10次，最后一次旋涂完成后在120℃退火30min。
采用磁控溅射的方法在掺杂钙钛矿量子点薄膜表面沉积厚度为50nm的金层作为电极，电极间距为0.2mm，长度为4mm。
对本实施例制备得到的钙钛矿光电探测器进行测试，测试条件为可以变化波长的光源，光源光功率恒定为2.9mW/m2，测试面积为0.8mm2，结果显示：最佳响应波长为490nm，最大光电流为1.08nA,最佳响应度为46.39μA/W。
实施例2
本实施例提供了一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器，其是采用以下方法制备得到的：
在常温大气环境下，在玻璃瓶中加入0.1mg碳化钛纳米片粉末，再加入1mL的CsPbBr3量子点溶液，充分震荡使碳化钛纳米片均匀分散至量子点溶液中，即制得0.1mg/mL的碳化钛纳米片掺杂的CsPbBr3量子点溶液；碳化钛纳米片和CsPbBr3量子点溶液的制备方法见实施例1。
玻璃基片的清洗和改性：用洗洁精清洗干净2.5×2.5cm的玻璃表面的油污，再用去离子水完全洗净表面的洗洁精后使用超声波处理10min，再使用乙醇浸泡并超声波处理10min，最后使用丙酮浸泡并超声波处理10min，洗干净的玻璃基片用氮气吹干后放入紫外臭氧等离子体清洗机中改性5min。
钙钛矿量子点薄膜制备：将清洗干净的玻璃基片放置在旋涂机上，设置转速为1000r/min，旋涂时间1min，在玻璃基片上滴加150μL的掺杂溶液后开始旋涂，完成旋涂后在120℃下退火1min，重复上述步骤10次，最后一次旋涂完成后在120℃退火30min。
采用磁控溅射的方法在掺杂钙钛矿量子点薄膜表面沉积厚度为50nm的金层作为电极，电极间距为0.2mm，长度为4mm。
对本实施例制备得到的钙钛矿光电探测器进行测试，测试条件为可以变化波长的光源，光源光功率恒定为2.9mW/m2，测试面积为0.8mm2，结果显示，最佳响应波长为490nm，最大光电流为2.25nA,最佳响应度为99.67μA/W。
实施例3
本实施例提供了一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器，其是采用以下方法制备得到的：
在常温大气环境下，在玻璃瓶中加入0.4mg碳化钛纳米片粉末，再加入1mL的CsPbBr3量子点溶液，充分震荡使碳化钛纳米片均匀分散至量子点溶液中，即制得0.4mg/mL的碳化钛纳米片掺杂的CsPbBr3量子点溶液；碳化钛纳米片和CsPbBr3量子点溶液的制备方法见实施例1。
玻璃基片的清洗和改性：用洗洁精清洗干净2.5×2.5cm的玻璃表面的油污，再用去离子水完全洗净表面的洗洁精后使用超声波处理10min，再使用乙醇浸泡并超声波处理10min，最后使用丙酮浸泡并超声波处理10min，洗干净的玻璃基片用氮气吹干后放入紫外臭氧等离子体清洗机中改性5min。
钙钛矿量子点薄膜制备：将清洗干净的玻璃基片放置在旋涂机上，设置转速为1000r/min，旋涂时间1min，在玻璃基片上滴加150μL的掺杂溶液后开始旋涂，完成旋涂后在120℃下退火1min，重复上述步骤10次，最后一次旋涂完成后在120℃退火30min。
采用磁控溅射的方法在掺杂钙钛矿量子点薄膜表面沉积厚度为50nm的金层作为电极，电极间距为0.2mm，长度为4mm。
对本实施例制备得到的钙钛矿光电探测器进行测试，测试条件为可以变化波长的光源，光源光功率恒定为2.9mW/m2，测试面积为0.8mm2，结果显示，最佳响应波长为490nm，最大光电流为1.72nA,最佳响应度为72.62μA/W。
实施例4
本实施例提供了一种基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器，其是采用以下方法制备得到的：
在常温大气环境下，在玻璃瓶中加入0.5mg碳化钛纳米片粉末，再加入1mL的CsPbBr3量子点溶液，充分震荡使碳化钛纳米片均匀分散至量子点溶液中，即制得0.5mg/mL的碳化钛纳米片掺杂的CsPbBr3量子点溶液；碳化钛纳米片和CsPbBr3量子点溶液的制备方法见实施例1。
玻璃基片的清洗和改性：用洗洁精清洗干净2.5×2.5cm的玻璃表面的油污，再用去离子水完全洗净表面的洗洁精后使用超声波处理10min，再使用乙醇浸泡并超声波处理10min，最后使用丙酮浸泡并超声波处理10min，洗干净的玻璃基片用氮气吹干后放入紫外臭氧等离子体清洗机中改性5min。
钙钛矿量子点薄膜制备：将清洗干净的玻璃基片放置在旋涂机上，设置转速为1000r/min，旋涂时间1min，在玻璃基片上滴加150μL的掺杂溶液后开始旋涂，完成旋涂后在120℃下退火1min，重复上述步骤10次，最后一次旋涂完成后在120℃退火30min。
采用磁控溅射的方法在掺杂钙钛矿量子点薄膜表面沉积厚度为50nm的金层作为电极，电极间距为0.2mm，长度为4mm。
对本实施例制备得到的钙钛矿光电探测器进行测试，测试条件为可以变化波长的光源，光源光功率恒定为2.9mW/m2，测试面积为0.8mm2，结果显示，最佳响应波长为490nm，最大光电流为1.02nA,最佳响应度为41.63μA/W。
对比例
本对比例提供了一种钙钛矿量子点光电探测器，其是采用以下方法制备得到的：
制备无掺杂的CsPbBr3量子点溶液；CsPbBr3量子点溶液的制备方法见实施例1。
玻璃基片的清洗和改性：用洗洁精清洗干净2.5×2.5cm玻璃表面的油污，再用去离子水完全洗净表面的洗洁精超声10min，再用乙醇超声10min，最后在丙酮中超声清洗10min。洗干净的玻璃基片用氮气吹干后放入紫外臭氧等离子体清洗机中改性5min。
无掺杂钙钛矿量子点薄膜制备：将清洗干净的玻璃基片放置在旋涂机上，设置转速为1000r/min，旋涂时间1min。在玻璃基片上滴加150μL的CsPbBr3量子点溶液后开始旋涂，完成旋涂后120℃退火1min，重复上述步骤10次，最后一次旋涂完成后退火30min。
采用磁控溅射的方法，在薄膜表面沉积厚度为50nm的金，作为电极，电极间距为0.2mm，长度为4mm。
对本实验制备得到的钙钛矿光电探测器进行测试，测试条件为可以变化波长的光源，光源光功率恒定为2.9mW/m2，测试面积为0.8mm2，结果显示，最佳响应波长为490nm，最大光电流为0.72nA,最佳响应度为30.99μA/W。
综上所述可见，采用本实施例1-4方法制备得到的基于MXene纳米片优化的钙钛矿量子点光电探测器的最大光电流和最佳响应度均优于对比例中制备得到的钙钛矿光电探测器。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。