深圳大學&香港科技大學AFM：基于非對稱活性層結構的多功能光電器件

Alisa 5年前 (2019-02-26) 4609瀏覽

【引言】

隨著單功能器件的日益成熟，其發展已臨近其固有的限制，如何增加功能、減小產品尺寸成為了當前的關鍵問題。將多個單功能光電子器件集成到一個芯片或系統中是拓展其功能的主要途徑，具有可觀的應用前景。例如，晶體管、光發射器和光電二極管的片上集成為開發如智能照明、片上光互連、光學無線通信和光隔離器等各種應用開辟了道路。盡管追求光電集成能獲得器件功能的增加和性能的提升，但制造一系列單功能器件，并將其集成到系統中無疑增加了制造的復雜性和產品成本。因此，實現具有多種功能的獨立器件備受期待，這可以簡化制造工藝，降低制造成本，提高集成度，并擴展可能的應用領域。

盡管對各種光電器件的材料要求幾乎相同，即高載流子壽命、長擴散長度、低缺陷密度及高復合度，但在單個器件結構中賦予多功能一直是極具挑戰性的。在光電器件中，發光和光檢測的過程是相反的，電荷提取和電荷注入在相同的界面進行。例如，將光能轉換為電能的太陽能電池需要有效的載流子分離和收集，而發光二極管（LED）則更要求高能載流子注入和輻射復合，但由于傳統設計的單活性層結構僅便于單向傳輸，在器件上同時實現有效的電荷提取和電荷注入便顯得尤為困難。

【成果簡介】

近日，深圳大學李貴君教授聯合香港科技大學郭海成教授以及范志勇教授，通過非對稱活性層的設計概念，展示了一種多功能光電子器件。此活性層由CsPbBr3鹵化鈣鈦礦和硫族化物量子點形成的雜化異質結構成。此異質結用于作為非對稱結構的活性層時，不僅能在良性反應中完成電荷分離/激子解離，還能在完成載流子注入/復合的同時抑制物質內部和界面的非輻射復合。因此，通過概念驗證功能的方式進行集成，結合此種異質結的獨特器件得到了實現，此器件包含有多色發光二極管、高效光伏能量收集裝置和超敏光探測器。而且，此發光二極管的性能表征明顯優于相應的單活性層器件，尤其體現在其高亮度的電致發光及其優異的穩定性。非對稱活性層的概念為將來設計高效的多/單功能器件提供了可行的途徑。該成果今日以題為“Multifunctional Optoelectronic Device Based on an?Asymmetric Active Layer Structure”發表在知名期刊 Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1?CsPbBr3/CdSe活性層異質結的性質

A）異質結器件的示意圖；B）SEM橫截面圖像；C）能帶結構；D）CsPbBr3/CdSe異質結的光致發光和吸收曲線，插圖為CsPbBr3、CdSe和CsPbBr3/CdSe薄膜置于365nm紫外燈下的效果；E）CsPbBr3/CdSe異質結活性層器件和CsPbBr3單活性層器件的暗電流-電壓曲線；F）CsPbBr3和CsPbBr3/CdSe薄膜光致發光的時間分辨圖，其激發波長為358nm，并在524nm的波長下監測光致發光，插圖是電子轉移過程的示意圖。

圖2?電壓控制的多色電致發光

電致發光光譜已將主導發光進行歸一化處理。插圖顯示相應的發光顏色。此LED在恒定電流注入下進行測量。此處顯示的外加電壓與施加到器件的不同電流密度有關。

圖3.電壓控制多色器件的特性

A）異質結器件在不同偏壓下相應的CIE 1931坐標。圖中提供CsPbBr3和CdSe單活性層器件的CIE坐標以供參考；B）異質結器件的發光強度與施加電壓的函數關系。在測量期間，該裝置由385nm的UV光激發C）正向偏置下器件工作原理圖。俄歇輔助的電荷上轉換過程在步驟2,3和4中描述（紅色指示線）；D）紅光的電流收益隨電壓的變化；E）綠光的電流收益隨電壓的變化；F）不同器件結構下器件的紅光/綠光之比。

圖4.發光器件性能

A）不同電壓下的亮度和電流密度；B）在不同電壓下的電流效率和外部量子效率（EQE）

圖5. 光捕獲與光探測功能

A）光收集（LH）/光探測（LD）模式下器件工作原理圖；B）不同活性層結構器件的J-V曲線；

C）CsPbBr3單層器件和異質結器件的光/暗電流比。入射的白光強度為0.8mW cm-2；D）不同光強度下的光響應；E）在斬波器驅動的藍色LED光源（400nm）照射下響應的光電流。響應時間定義為最大光電流的10％-90％之間的時間；F）器件在-0.5V偏壓下的響應度。

【總結】

不同于前人所構想的在電荷傳輸層和活性層之間廣泛形成的異質結，本文展示的異質結位于活性層內。這種雙活性層結構不僅可以在高效的良性過程中為電荷分離或激子解離提供路徑，還可以增強電荷的注入和復合，原因如下：

1）在分離的活性層中對電子和空穴進行空間限制以抑制非輻射復合；

2）將CsPbBr3與ZnMgO分離以防止載流子的積累，避免非輻射復合；

3）控制復合區域遠離界面；

4）阻礙活性層內的電子和空穴的積累，以促進俄歇輔助電荷注入過程。

總而言之，利用異質結活性層的各向異性，我們可獲得結合壓控多色LED、高效太陽能電池和超敏光電探測器為一體的獨特器件，將其中的一個或兩個功能的組合將得到多面應用。例如，壓控多色電致發光特性可用于制造場順序顯示器和智能照明，采用不同工作模式和不同位置下的發光和探測功能來構建片上光互連，對發光和光收集功能合理地設計在一起可以在環保方面找到可用之處。

與單活性層器件相比，異質結器件的關鍵優勢在于：高亮而穩定的電致發光、極高的光生電壓、超快的開關。此外，異質結器件還可以同時進行光信號探測和發光。這些優勢為未來的先進應用開辟了新的途徑。

文獻鏈接：Multifunctional Optoelectronic Device Based on an Asymmetric Active Layer Structure（Adv. Funct. Mater. 2019, 1807894）DOI: 10.1002/adfm.201807894

本文由深圳大學李貴君教授課題組供稿，材料人編輯部編輯

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