一作兼通訊：創紀錄彎曲與響應速度的量子點柔性光電探測器

01 【科學背景】

柔性光電器件，比如柔性太陽能電池，柔性探測器，柔性成像儀在可穿戴器件，電子皮膚以及機器人和生物工程領域正發揮著重要作用。膠體量子點材料因其具有帶隙可調、溶液合成，易于加工集成、成本低廉等優點，已經成為柔性光電器件中的明星材料。對于柔性器件而言，在彎曲過程中，活性層會產生應力從而導致結構被破壞以及器件性能衰減，所以高的彎曲穩定性一直是大家研究和追求的重點。在以往的研究中，大家多通過通過增加層與層之間的粘附性，引入聚合物去提高量子點柔性器件的彎曲性能，但是現在的性能依舊停留在萬次彎曲水平，這仍然無法滿足柔性器件領域日益增長的需求。

02【創新成果】

近日，來自比利時根特大學的鄧玉豪（第一作者&通訊作者）等研究人員，發現通過降低量子點活性層的厚度，可以降低彎曲時活性層中的應力，并且薄的活性層在制備過程中也會引入更低的裂縫缺陷，從而可以提高量子點柔性器件的彎曲性能。基于這一發現，作者解決了柔性襯底上集成超薄器件的各種難點，實現了創紀錄的十萬次彎曲而無明顯衰減的優異性能。并且因為超薄的結構，光生載流子的遷移時間被縮短，還在柔性探測器件上實現了創紀錄的20納秒的響應時間和97%的載流子提取效率。另外，針對活性層厚度降低導致光吸收率降低的問題，作者們通過構建F-P微腔，將活性層的吸收率提高了3.4倍，從而也實現了27%的外量子效率和2.1 × 1011 Jones的比探測率。

相關工作以題為“Super Bending-Stable Flexible Colloidal QD Photodetector with Fast Response and Near-Unity Carrier Extraction Efficiency ”的論文發表在國際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

03【數據概況】

圖1、超薄結構的制備與優化

圖2、柔性光電探測器的結構與性能

圖3、微腔增強活性層的吸收與近極限的載流子提取效率

圖4、柔性探測器的彎曲性能表征。

04【科學啟迪】

本文通過對彎曲時應力產生機理的深入了解，作者另辟蹊徑，通過降低活性層的厚度，設計超薄光電探測器的思路，從而實現了創紀錄的十萬次彎曲性能和20納秒的響應速度，載流子提取效率也實現了97%的近極限水平。同時對于超薄結構器件制備過程中，配體交換溶液滲透導致摻雜改變的問題，作者引入漸變交換的方法解決這一問題。本工作實現了超彎曲穩定和超快量子點柔性探測器件的制備，為高性能柔性光電領域的發展提供了有益的借鑒。

05【作者簡介】

Yu-Hao Deng (鄧玉豪) 博士，比利時根特大學BOF博士后研究員，主要研究方向為膠體量子點材料與光電器件以及鈣鈦礦材料表征與光電器件。鄧博士之前已在Nature，Advanced Materials，Matter, Nano Letters，Physical Review Letters，Advanced Science等國際期刊上發表文章數篇。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c21940