Detektory elektromagnetického záření na bázi halogenidových perovskitových materiálů

Abstract

Tato dizertační práce provází čtenáře historií halogenidových perovskitů – od jejich objevu až po jejich roli v moderní vědě. Představuje hlavní aspekty a základy perovskitové krystalografie a materiálové všestrannosti. Dále vysvětluje růst krystalů pomocí klasické nukleační teorie (CNT) na prakticky používaných metodách: inverzní teplotní krystalizace (ITC), hydrotermální metoda (HT) a krystalizace za pomoci protirozpouštědla. Práce rovněž představuje dvě strategie náhrady olova a diskutuje rozdíly v optoelektronických vlastnostech mezi olovnatými a bezolovnatými halogenidovými perovskity. Po definování jejich optoelektronických vlastností práce poskytuje komplexní přehled literatury o perovskitových detektorech v různých oblastech elektromagnetického spektra – od fotodetektorů po detektory vysokoenergetických fotonů. Kapitola Výsledky a diskuse (kapitola 5) shrnuje vědecký přínos, podrobně popsaný ve čtyřech recenzovaných příspěvcích vybraných autorem. Tyto příspěvky tvoří nedílnou součást této práce a jsou uvedeny v příloze (kapitola 11). Teoreticky diskutované syntetické přístupy byly předvedeny na laboratorní přípravě objemových perovskitových monokrystalů. Diskusní část dále zahrnuje podrobnou strukturální a optickou charakterizaci olovnatých a bezolovnatých halogenidových perovskitových monokrystalů, jako je methylamonný jodid olovnatý (MAPbI3) a jodid cesno-bismutitý (Cs3Bi2I9). Tato část kapitoly Výsledky a diskuse ukazuje důležitost metod, jako je rentgenová difrakce a spektroskopická elipsometrie, pro pochopení základních vlastností perovskitů a jejich chování při ozáření. Nakonec je podrobně popsána komplexní charakterizace detektoru na planárním typu fotodetektoru založeném na objemových monokrystalech methylamonného bromidu olovnatého. Tato charakterizace byla provedena na fotodetektorech s různými rozestupy elektrod a podrobně je diskutován jejich vliv na výstupní parametry – citlivost, detekovatelnost a externí kvantovou účinnost.

This Ph.D. thesis guides readers through the history of halide perovskites: from their discovery to their role in modern science. It presents the main aspects and fundamentals of perovskite crystallography and material versatility. Furthermore, it explains crystal growth using Classical Nucleation Theory (CNT) in the context of commonly used methods: inverse temperature crystallization (ITC), the hydrothermal (HT) method, and antisolvent-assisted crystallization. In addition, the thesis presents two substitution strategies for lead replacement and discusses the difference between optoelectronic properties of lead and lead-free halide perovskites. After defining their optoelectronic properties, the author provides a comprehensive literature review of perovskite detectors in various ranges of electromagnetic spectrum: from photodetectors to detectors of high-energy photons. The Results and Discussion (Chapter 5) presents the most important findings, detailly described in four peer-reviewed contributions selected by the author. These contributions are an integral part of this thesis and can be seen in the Appendix (Chapter 11). The theoretically discussed synthetic approaches were presented in laboratory-scale fabrication of bulk perovskite single crystals. Furthermore, the discussion section includes a detailed structural and optical characterization of lead and lead-free halide perovskite single crystals, such as methylammonium lead iodide (MAPbI3) and cesium bismuth iodide (Cs3Bi2I9). This part of the Results and Discussion chapter shows the importance of methods such as X-ray diffraction and spectroscopic ellipsometry in the understanding of the fundamental perovskite properties and their behavior under high radiation. Finally, the detailed complex detector characterization was presented on planar-type photodetector based on bulk single crystals of methylammonium lead bromide. This characterization was presented on photodetectors with different electrode spacing and their effect on output performance (responsivity, specific detectivity and external quantum efficiency) was discussed in detail.