北京大學馬仁敏Adv. Mater.：高性能單晶鈣鈦礦薄膜光電探測器
【引言】
單晶半導體薄膜是構建高性能光電子器件的基石。傳統的單晶半導體薄膜的生長基于外延技術，要求高溫、高真空以及襯底匹配等苛刻的生長條件。近年來由簡捷方便的溶液法合成的鹵化物鈣鈦礦材料在各種光電器件，包括太陽能電池、激光器、發光二極管和光電探測器等方面的應用都取得了巨大的成功。然而目前鈣鈦礦器件大多基于多晶薄膜或者厚度在十微米量級以上的單晶鈣鈦礦材料。對于多晶薄膜來說，其內部的晶界與缺陷增加了載流子的散射與復合，使得載流子傳輸效率降低，限制了器件的性能；對于厚的單晶來說，不必要的材料厚度會增加載流子的傳輸時間和復合比例，從而限制了器件的性能。鈣鈦礦材料厚度與結晶性的同時優化對發展高性能鈣鈦礦器件的重要性不言而喻。制備基于單晶鈣鈦礦薄膜的光電子器件并研究其性能與物性的構效關系對發展高性能鈣鈦礦器件具有重要意義。
【內容簡介】
近日，北京大學物理學院馬仁敏研究員與合作者在Adv. Mater.上發表了一篇題為“High-Performance Single-Crystalline Perovskite Thin-Film Photodetector”的論文（DOI: 10.1002/adma.201704333）。他們通過施加壓力的方法對晶體生長進行空間限制調控晶體厚度，同時對襯底表面進行修飾控制成核過程，生長出了厚度可控的大面積CH3NH3PbBr3單晶薄膜。在此基礎上制備了高性能單晶鈣鈦礦薄膜光電探測器。得益于同時優化的鈣鈦礦材料厚度與結晶性，該探測器可實現200個光子的脈沖弱信號探測，同時其gain-bandwidth product達到70GHz。此外，他們還對基于不同厚度的單晶鈣鈦礦薄膜材料的器件性能進行了系統研究，揭示了材料厚度對器件性能的重要影響。
【圖文簡介】
圖1：單晶鈣鈦礦薄膜的形貌表征和性能表征
(a). 厚度為365 nm的單晶鈣鈦礦薄膜的光學照片；
(b). 單晶鈣鈦礦薄膜的SEM照片；
(c). 基于單晶鈣鈦礦薄膜的光電探測器的切面SEM圖像；
(d). 不同壓力生長條件下鈣鈦礦薄膜的厚度；
(e). 單晶薄膜X-射線衍射(001)峰的搖擺曲線；
(f). 不同厚度薄膜對光的吸收比例；
(g). 擴散長度與膜厚之比。
圖2：光電探測的光響應、增益和響應度
??(a). 器件在暗態和250 nW光照下的I-V曲線；
(b). 器件在不同光強下的增益和響應度。
圖3：器件的線性動態范圍、探測極限和3 dB帶寬
(a). 器件的線性動態范圍；
(b). 器件可響應的最低光子數；
(c). 器件自驅動狀態下的3 dB帶寬；
(d). 器件自驅動狀態下的瞬態電流響應。
圖4：器件性能與單晶薄膜厚度的關系
(a). 器件的可探測功率與厚度的關系；
(b). 器件的最大增益與厚度的關系。
【小結】
北京大學馬仁敏研究組與合作者同時優化了鈣鈦礦材料的厚度與結晶性，制備了基于單晶鈣鈦礦薄膜的高性能光電探測器，實現了200個光子的脈沖弱信號探測，和高達70 GHz 的 gain-bandwidth product。北大博士生楊振乾、鄧玉豪和博士后張曉偉為論文共同第一作者；馬仁敏研究員為論文通訊作者；主要合作者包括John Hopkins的Jacob Khurgin教授，MIT的Nicholas X. Fang教授和UC Berkeley的Xiang Zhang教授。這項工作得到了青年千人項目、國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心等的支持。
文獻鏈接：High-Performance Single-Crystalline Perovskite Thin-Film Photodetector (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201704333)
馬仁敏課題組主頁：
http://www.phy.pku.edu.cn/~renminma/
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