北大Adv. Funct. Mater.：集諸多優點于一身的鈣鈦礦納米晶光電探測器

【引言】

光電探測器廣泛應用于光纖通信、生物傳感、夜視等領域。以上等領域需求光電探測器在各方面都具有優異的性能，如：響應度、探測率、增益、動態線性范圍和開關比等。前期所報道的光電探測器，一般通過活性材料的選擇或器件結構的優化可以提升以上一到兩項性能。但是讓光電探測器全方面性能都獲得巨大的提升，仍然是光電探測領域的一個巨大挑戰。

【內容簡介】

近日，北京大學郭雪峰教授與孫寶云教授（共同通訊作者）在Adv. Funct. Mater.上發表了一篇名為“Nanocrystalline Perovskite Hybrid Photodetectors with High Performance in Almost Every Figure of Merit”的文章。該研究提出了一種新型的基于石墨烯的鈣鈦礦納米晶復合光電探測器，該探測器件的各方面性能都非常優異。其響應度高達5.6 × 10⁸ A W^?1，增益高達5.3×10⁹，探測率達到2.8×10¹⁶瓊斯，線性動態范圍達到92dB。

【圖文簡介】

圖1：鈣鈦礦晶體和石墨烯納米電極的制備和表征

(a). 用兩步溶液法形成鹵化物鈣鈦礦晶體的示意圖；

(b-c). 硅片上的鈣鈦礦納米晶的截面SEM圖和高分辨率TEM圖；

(d). 鈣鈦礦納米晶的XRD譜，插圖為鈣鈦礦納米晶的結構示意圖；

(e.). CVD生長的單層石墨烯轉移到硅片上的拉曼譜，插圖為石墨烯電極光學圖。

圖2：基于石墨烯納米電極的鈣鈦礦納米晶光電探測器件的性能表征

(a). V_DS=3V,V_G=0V，不同強度白熾燈照射下器件的響應度,插圖為器件示意圖；

(b). V_DS=3V, V_G=0V，不同強度白熾燈照射下器件的探測率，器件微觀結構的SEM圖；

(c). V_DS=3V, V_G=0V，光照強度為25.86 mW cm^-2，器件的三個開關循環。

(d). V_DS=3V, V_G=0V，器件的光電流與光照強度的關系，插圖為對數曲線表現了器件的線性動態范圍。

(e). V_G=0V，不同偏壓下，器件在不同單色光照射時對應的光增益；

(f). 不同光照強度下的器件的輸出曲線，插圖為半對數曲線。

圖3：基于石墨烯電極的單晶鈣鈦礦光電器件的機理研究

(a). 不同光照強度下器件的LnI-LnV曲線；

(b). 暗態下，器件的LnI-V^1/2曲線；

(c). 暗態下，基于石墨烯電極的單晶鈣鈦礦器件的能帶示意圖；

(d). 暗態下，基于石墨烯電極的單晶鈣鈦礦同質p-n結的示意圖；

(e). 光照時，基于石墨烯電極的單晶鈣鈦礦器件的能帶示意圖；

(f). 光照時，基于石墨烯電極的單晶鈣鈦礦同質p-n結的示意圖。

圖4：基于石墨烯納米電極的氯摻雜鈣鈦礦納米晶光電探測器件的性能表征

(a). 氯摻雜鈣鈦礦納米晶EDX表征, 氯摻雜鈣鈦礦晶體結構示意圖；

(b). 兩步法鈣鈦礦、一步法氯摻雜鈣鈦礦和兩步法氯摻雜鈣鈦礦的PL譜；

(c). V_DS=3V, V_G=0V，不同強度白熾燈照射下器件的探測率，器件微觀結構的SEM圖；

(d). V_DS=3V, V_G=0V，不同強度白熾燈照射下器件的探測率，器件微觀結構的SEM圖；

(e). V_DS=3V, V_G=0V，光照強度為25.86 mW cm^-2，器件的三個開關循環。

(f). V_DS=3V, V_G=0V，器件的光電流與光照強度的關系，插圖為對數曲線表現了器件的線性動態范圍。

(g). V_G=0V，不同偏壓下，器件在不同單色光照射時對應的光增益；

(h). 不同光照強度下的器件的輸出曲線，插圖為半對數曲線。

【小結】

? 研究者通過合理的石墨烯電極選擇，并且利用新型的雜化鈣鈦礦作為活性材料，成功的研制出了一種性能優越的石墨烯納米電極的鈣鈦礦納米晶光電探測器。該器件具有高響應度、高探測率、高線性動態范圍和寬光譜。該研究將推動光電探測在各領域的應用。

文獻鏈接：Nanocrystalline Perovskite Hybrid Photodetectors with High Performance in Almost Every Figure of Merit (Adv. Funct. Mater. ,2017, DOI: 10.1002/adfm.201705589)

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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