湖北大學和南理工聯合在 AFM報道：界面隧道效應增強CsPbBr3光電探測器的探測能力和穩定性

【背景介紹】

由于高性能鹵化物鈣鈦礦（HP）光電探測器（PDs）具有響應速度快、自供電功能、溶液處理成本低等優點而成為一種有應用前景的新型光電器件。但是HP PDs存在探測能力（D*）低、穩定性差等缺點而嚴重阻礙了其被廣泛使用。其中，這些HP PDs的D*低是由于高暗電流（I_d）所導致，而穩定性差則是由于水分降解和離子遷移造成。然而，高的I_d是因為在輸送層和HP材料之間的界面處有較差的空穴/電子阻擋能力。此外，各輸送層與溶液處理過的HP之間存在接觸不良而導致泄漏電流是無法避免的。除HP固有的不穩定性外，經典的器件結構也影響其穩定性。因此，在顯著提高HP PDs的穩定性時，盡可能的提高D*的值顯得非常重要。

【成果簡介】

近日，湖北大學的王浩教授、南京理工大學的曾海波教授和李曉明教授（共同通訊作者）聯合報道了通過引入隧道有機層以解決器件的探測率低、HPs固有的不穩定性和離子遷移引起的界面劣化問題。光致載流子可以通過Fowler Nordheim隧道效應在適當厚度的界面（聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA）層間流動。由于暗電流的有效控制，光/暗電流比達到了2.13×10⁸，并且峰值檢測能力高達1.24×10¹³ Jones。在此基礎上，244 pW的微弱光信號也可通過PD陣列進行精確成像。此外，疏水性有機層抑制了由水分解和離子遷移導致界面反應而引起HPs的破壞，在潮濕環境中連續工作48 h觀察到的響應衰減基本可忽略不計。這種異質結結構設計提供了一種增強基于鈣鈦礦的光電和光伏器件的性能和穩定性的新策略。該研究成果以題為“Interfacial-Tunneling-Effect-Enhanced CsPbBr₃ Photodetectors Featuring High Detectivity and Stability”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上，第一作者為湖北大學碩士生曾俊鵬。

【圖文解讀】

圖一、利用電荷隧道層來增強基于CsPbBr₃局部放電的設計
（a-b）不使用或使用帶PMMA的PDs的能級分布和光子產生的載流子傳輸特性；

（c）激光激發后載流子（h⁺）的隧穿效應示意圖；

（d-e）具有和不具有PMMA的CsPbBr₃ IO膜的PL衰減和PL光譜曲線。

圖二、IO薄膜和器件的形貌表征
（a）空間受限的CsPbBr₃ IO薄膜的俯視SEM圖像；

（b）器件的橫截面SEM圖像。

圖三、PMMA層引起隧穿和界面效應
（a）在不同PMMA厚度的器件中，CsPbBr₃/PTAA界面處的光生電動力學示意圖；

（b-c）使用不同的PMMA前體溶液濃度器件的TPV和J-V曲線。

圖四、對超微弱光的探測能力
（a）在黑暗和各種光強度下測得的局部放電的J-V曲線；

（b）在各種光強度下，器件的J_ph。

圖五、極大的提高了PDs的探測能力
（a）R和D*隨0 V入射光強度變化的曲線圖；

（b）在黑暗和442 nm激光下，光強度不同和弱的情況下，PD的J-V曲線。

圖六、弱光成像應用的初始探究
（a）弱光成像系統的示意圖；

（b-c）成像結果和用于比較的手機圖片。

圖七、增強PD的穩定性
（a）Device-W老化機制的示意圖；

（b）Device-P中保護效果的示意圖；

（c）老化30天后，Device-W和Device-P的照片；

（d）有和沒有PMMA的情況下，CsPbBr₃ IO薄膜表面上水滴的靜態接觸角；

（e）在大約20℃、60％RH的條件下，進行了約48 h測試后Device-W和Device-P的歸一化I-T曲線；

（f）在約20℃和40％RH的條件下，Device-W和Device-P的光響應性變化。

【小結】

綜上所述，作者利用ZnO/CsPbBr₃/PMMA/PTAA異質結構制備了高靈敏度和穩定性的PDs。在PTAA和CsPbBr₃ IO光吸收劑之間插入厚度優化的PMMA絕緣層，有效地抑制了J_d，同時有效改善了隧穿光電流。因此，這些器件獲得了超高的開/關比（>2.13×10⁸），同時獲得R值為0.34 A W^-1和D*為1.24×10¹³ Jones。此外，PDs具有優異的穩定性，在環境存儲1000 h或連續運行48 h后，其光響應性能幾乎沒有下降。并且通過成像系統證明了對超弱光的探測能力。總之，該研究提出的異質結構器件為光電和光伏器件設計的提供了一種新思路。

文獻鏈接：Interfacial-Tunneling-Effect-Enhanced CsPbBr₃ Photodetectors Featuring High Detectivity and Stability（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201904461）

通訊作者簡介

王浩，湖北省楚天學者計劃特聘教授、二級教授、博士生導師，兼任中國儀表功能材料學會副理事長、中國半導體三維集成制造產業聯盟副理事長。1989、1994年于華中科技大學獲工學學士、博士學位，1994-2002年先后在北京大學、香港中文大學做博士后，2002年任上海交通大學教授，2010年任劍橋大學高級研究員，2013-2019先后任芬蘭阿爾托大學、法國國家科學研究中心、瑞典皇家工學院、德國馬普研究所、臺灣中山大學訪問教授。主要從事鈣鈦礦光電探測器、存儲器、新能源材料與器件的研究，主持國家重點研發計劃、國家科技重大專項子課題和國家自然科學基金等項目的研究，在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy等發表SCⅠ論文160余篇，SCI引用3000余次，授權發明專利30余項，獲省部級二等獎3項，國際國內學術會議特邀報告20余場次。
李曉明，南京理工大學青年教授。長期聚焦于膠體發光納米顆粒的低成本合成技術、表界面相關的豐富物理化學特性及應用研究。同時開展基于上述膠體顆粒的光電器件應用研究（光電及射線探測器等）。（1）發展了基于過飽和析晶、非均勻形核等熱動力學調控的無機鹵素鈣鈦礦量子點低成本合成方法，被國際同行評論為“經典的合成方法”。（2）揭示了鈣鈦礦量子點表面鹵素空位對激子復合動力學的影響機制，提出了表面鹵素自鈍化效應及原位鹵素鈍化策略，獲得了全光譜范圍量子效率接近100%、半高寬接近理論極限的熒光發射，與南洋理工大學孫漢東教授合作在國際上率先實現了鈣鈦礦量子點微納激光器。（3）提出了基于三維空間界面重構的鈣鈦礦量子點發光調控策略，發展了基于“等效配體”新概念的高穩定鈣鈦礦量子點合成方法，實現了鈣鈦礦量子點光穩定性、激光發射熱穩定性的大幅度提高。研究成果發表SCI論文50余篇，包括Adv. Mater.、Angew. Chem、Nano Lett.等。總引用6000余次(google scholar)，H因子30。

相關文獻：

(1) Xiaoming Li et al. CsPbX₃ Quantum Dots for Lighting and Displays: Room-Temperature Synthesis, Photoluminescence Superiorities, Underlying Origins and White Light-Emitting Diodes. Advanced Functional Materials 2016, 26, 2435–2445.

(2) Xiaoming Li et al. Amino-mediated Anchoring Perovskite Quantum Dots for Stable and Low-threshold Random Lasing. Advanced Materials 2017,?29, 1701185.

(3) Dandan Yang, Xiaoming Li*, et al. CsPbBr₃ Quantum Dots 2.0: Benzenesulfonic Acid Equivalent Ligand Awakens Complete Purification. Advanced Materials 2019, 31, 1900767.

(4) Ye Wu, Xiaoming Li* et al. In Situ Passivation of PbBr₆₄– Octahedra toward Blue Luminescent CsPbBr₃ Nanoplatelets with Near 100% Absolute Quantum Yield. ACS Energy Letters 2018, 3 (9), 2030

(5) Junpeng Zeng, Xiaoming Li* et al. Space-Confined Growth of CsPbBr₃ Film Achieving Photodetectors with High Performance in All Figures of Merit. Advanced Functional Materials 2018, 28, 201804394.

本文由CQR編譯。

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