吉林大學：實現Si探測器紫外波段外量子效率超70%

導讀：本文提出一種通過對鈣鈦礦量子點多元素摻雜的方法，利用量子剪裁效應實現Si光電探測器在紫外波段的外量子效率從將近0%提高到70%以上，同時實現了鈣鈦礦量子點188%的PLQY。這種策略不僅可用於提高發光效率，也對提升光電探測效率提供了新思路。

Si光電探測器（PDs）作為器件最常用的基礎組分，以其寬頻帶光譜響應、超高響應率、以及低成本製造工藝等特點而被廣泛應用於光電器件中。然而，受到高反射係數和紫外輻射的淺穿透深度的限制，Si PDs對紫外(UV)光響應很低（200−300 nm範圍內，外量子效率接近0%）。儘管廣大研究者已經探索了各種改進策略，但如何獲得與可見光到近紅外波段響應相媲美的高性能仍然具有很大的挑戰。

近日，吉林大學電子科學與工程學院，集成光電子學國家重點實驗室宋宏偉教授（通訊作者）課題組報導了一種利用高溫熱注入法合成的三種元素（Cr3+，Yb3+和Ce3+）共摻雜CsPbCl3鈣鈦礦量子點（PeQDs），並將其塗覆在Si表面，實現了紫外波段與可見到近紅外波段響應相當的高性能。相關論文以題為「Extremely efficient quantum-cutting Cr3+, Ce3+, Yb3+ tridoped perovskite quantum dots for highly enhancing the ultraviolet response of Silicon photodetectors with external quantum efficiency exceeding 70%」發表於Nano Energy上。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520308557

研究結果表明，當摻雜濃度為8.2%的Cr3+離子摻雜CsPbCl3之後，CsPbCl3的量子產率從8%提高到82%，同時表現出優異的穩定性。在放置250天之後，摻雜後的PL強度基本保持不變；而未摻雜的PeQDs在放置五天後，PL強度衰減了52%。這一特性主要來自：（1）摻雜後缺陷態密度大幅度降低；（2）通過DFT計算，摻雜前的主要缺陷Cl空位在摻雜後消失。

圖1. （a）晶體結構；（b）摻雜前後的TEM圖像；摻雜前後（c）晶面間距的變化與（d）XRD衍射峰的變化；（e）摻雜後的XPS圖像。

圖2. 不同Cr3+摻雜量的（a）吸收圖像，（b）PL圖像以及（c）量子產率變化；（d）未摻雜與Cr3+-8.2%摻雜的長時間PL強度對比；（e）不同Cr3+摻雜量的缺陷密度及螢光壽命對比；（f）摻雜前後的缺陷水平計算結果。

圖3（a）吸收光譜表明在加入稀土離子Ce3+後，紫外波段尤其是深紫外波段的吸收大幅度增強。這主要是由於Ce3+離子的5d高能態。而增強的量子產率是由於Ce3+的發射能級提供了PeQDs與Yb3+離子之間帶隙匹配的通道，使得Yb3+離子的量子剪裁量子產率大大提高至175%。三離子摻雜後的CsPbCl3: Cr3+、Yb3+、Ce3+PeQDs塗覆在Si表面，實現了在200−400 nm範圍內70%以上的外量子效率，與可見光、近紅外波段相當。（量子剪裁是指螢光材料每吸收一個大能量光子就會放出兩個小能量光子的物理現象，其理論量子產率為200%。）

圖3. 單元素、雙元素以及三元素摻雜的光學表徵以及能帶解釋。

圖4. （a）全光譜照明下SiPDs與量子剪裁PeQDs集成器件的原理圖。（b）Si PDs、CsPbCl3: Cr3+、Yb3+ PeQDs塗覆Si PDs以及CsPbCl3: Cr3+、Yb3+、Ce3+PeQDs塗覆Si PDs在240 nm、360 nm、980 nm光照下的光電流。（c，d）三種器件的響應度和外量子效率。（e）PDs在360 nm光照下的時間分辨光電流。（f）CsPbCl3:Cr3+、Yb3+、Ce3+ PeQDs塗覆Si PDs的光電流隨時間的變化。

總的來說，這項研究提出了一種提高PeQDs量子產率和改善Si PDs在紫外波段響應差的新策略。對合成其他的高量子產率的量子點或納米晶材料提供了思路；同時利用稀土離子Ce3+摻雜對紫外波段的吸收提升策略，也有望增強其他紫外光電探測器的性能。（文：無計）

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