南京大學研製出迄今最薄的單晶雜化鈣鈦礦柔性光電探測器

2020-09-22 小材科研

南京大學物理學院彭茹雯教授和王牧教授研究組與北京大學馬仁敏教授研究組等國內外五個單位合作，在柔性光電探測器的相關研究中取得重要進展。通過準靜態溶液生長技術製備出厚度僅為20納米的有機-無機雜化鈣鈦礦單晶薄膜，並基於此研製出超薄的高性能柔性光電探測器，有望推動柔性光電器件和可穿戴設備的發展，應用於仿生學、機器人科學以及醫療保健等領域。該研究成果以「Flexible Ultrathin Single-Crystalline Perovskite Photodetector」為題近日發表於國際著名學術期刊Nano Letters。

柔性光電探測器是可穿戴設備、可摺疊顯示器件、生物醫學成像等系統中至關重要的有源器件。得益於高光學吸收係數、高載流子遷移率、可調節帶隙等特性，有機-無機雜化鈣鈦礦材料在柔性光電器件中的應用已經有不少報導，但是，之前報導的此類器件大多基於多晶的雜化鈣鈦礦材料。與多晶材料相比，單晶雜化鈣鈦礦材料具有陷阱態密度低、載流子壽命長以及結構穩定性高等一系列優點。顯然使用單晶鈣鈦礦材料有望進一步提高器件性能。但是由於單晶鈣鈦礦材料脆性大, 不易彎折，這類材料尚未在柔性光電探測器中得到廣泛應用。

長期以來，彭茹雯教授和王牧教授研究組致力於微納結構的製備科學以及光與微納結構的相互作用研究，特別關注突破衍射極限的納米光子學研究。最近，該研究組又將相關研究應用於光電轉化，比如利用有機-無機雜化鈣鈦礦超構材料實現了高效的光捕獲及光電轉化。他們通過將雜化有機-無機鈣鈦礦材料的高折射率與其優秀的電學特性相結合，首次從實驗上證實利用雜化有機-無機鈣鈦礦超構材料可以高效捕獲可見光並實現高效的光電轉化【Nanophotonics 9, 3323-3333 (2020)】。研究發現，與同類材料的薄膜相比較，有機-無機雜化鈣鈦礦超構材料的光電流增大約40%，光生載流子產生效率增強約40%，相關的內部光生載流子產生效率提高約20%。相關結果展示了有機-無機雜化鈣鈦礦超構材料在高效光捕獲及光電轉化方面的應用潛力。

圖一 構建基於超薄單晶有機-無機鈣鈦礦的柔性光電探測器

最近，該研究組提出並研製出基於超薄的有機-無機雜化鈣鈦礦單晶薄膜的高性能柔性光電探測器。該研究組首先利用他們早期發展出的準靜態溶液生長方法【Physical Review Letters 86, 3827−3830 (2001); Advanced Materials 21, 3576−3580 (2009)】， 成功製備出有機-無機雜化鈣鈦礦（CH3NH3PbBr3）單晶超薄薄膜，其厚度可以降低至20nm。然後，創新性地構建出基於這種超薄單晶膜的柔性光電探測器（圖一），並證實該光電探測器具有極其優秀的探測性能（圖二）和柔性特徵（圖三）。與之前報導的在可見光頻段工作的其它柔性鈣鈦礦光電探測器相比，該雜化鈣鈦礦柔性光電探測器具有以下幾個特點：第一，活性層厚度僅為20nm，是迄今最薄的雜化鈣鈦礦柔性光電探測器；第二，該光電探測器的響應率高達5600 A/W，比此前報導的其它雜化鈣鈦礦柔性光電探測器高出兩個數量級。第三，該光電探測器具有0.2MHz的3dB帶寬，實現了快速的光探測；此外，由於將鈣鈦礦薄膜的厚度降低至20nm，雜化鈣鈦礦在保持高光電轉換效率的同時具有很好的機械柔韌特性，從而該柔性光電探測器在彎曲中能保持穩定的光電探測性能，其光電流和開關比等在彎曲過程中保持基本不變，等等。

圖二 超薄單晶有機-無機鈣鈦礦光電探測器的光電探測性能

圖三 超薄單晶有機-無機鈣鈦礦光電探測器的柔性特徵和性能穩定性

值得一提的是，這種基於準靜態溶液生長的製備技術可以全程在室溫附近實現，具有簡單的製備程序和低廉的製備成本，研製出的高性能柔性鈣鈦礦光電探測器可望集成於可穿戴設備和其它柔性光電子器件中，比如人造眼、柔性智慧型手機等等。該項研究豐富了超薄單晶雜化鈣鈦礦材料的製備手段，發展了高性能的雜化鈣鈦礦柔性光電器件，可望推動仿生器件、可穿戴智能設備、可摺疊多功能設備等新型集成器件的研製，應用於仿生學、生物傳感以及醫療保健等領域。

此項工作由南京大學彭茹雯和王牧、北京大學馬仁敏、復旦大學包文中、天津理工大學王迪、南京信息工程大學蘇靜、美國西北大學孫成等國內外六個研究組合作完成。其中，南京大學物理學院應屆博士畢業生景灝完成了大部分工作，他是該論文的第一作者。南京大學彭茹雯教授、北京大學馬仁敏教授和南京大學王牧教授是該論文通訊作者。南京大學物理學院研究生何捷、周易、李成堯、劉雨和應屆博士畢業生朱瑛鶯也參與了該工作。該項研究受到國家重點研發計劃和國家自然科學基金委的資助。

來源：南京大學

文章連結:

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.0c02468

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