中科院納米能源所＆湖南大學：實現基于圖案化鈣鈦礦薄膜柔性實時光電探測與陣列成像

【引言】

光電器件（包括光電探測器、LEDs和太陽能電池）已經在日常生活中產生了巨大的應用，如光電通信、成像技術、環境監測、數字顯示等。隨著新興光電產業的發展，柔性光電器件（PDs）由于重量輕、便攜性、可穿戴性以及低的加工成本而越來越受到各國研究人員的青睞。近來，基于各種納米材料的柔性光電探測器在機械穩定性、柔韌性和拉伸性等方面取得重大突破。有機-無極雜化鈣鈦礦材料由于在可見光下具有大的光吸收系數、可調節的帶隙、更長的載流子壽命和擴散長度而成為高性能柔性光電探測器的一種理想的候選材料。然而，基于鈣鈦礦材料的大規模高分辨率和柔性PD陣列用于實時光追蹤和成像目前還鮮有報道。
基于鈣鈦礦材料的大規模PD陣列的關鍵挑戰在于能否為器件的微型化和集成化提供合適并有效的合成技術。傳統制備工藝（如CVD法、氣相外延生長法和模板法）由于引入了高溫條件和特殊的襯底而不適合制備柔性PD陣列。最近，相關科研人員采用旋涂法制備出了基于CH₃NH₃PbI₃的圖案化的鈣鈦礦薄膜，通過光刻技術為大規模集成PD陣列的合成提供了可能性，而混合鹵化物鈣鈦礦薄膜（CH₃NH₃PbI_3?xCl_x）也已被成功合成，因為引入了Cl而使其具有更高的載流子遷移率和更長的激子擴散長度。因此，基于CH₃NH₃PbI_3?xCl_x薄膜的大規模高分辨PD陣列應用于集成性的柔性電子和光電子是必不可少的。

【成果簡介】

近日，中科院納米能源所潘曹峰研究員團隊和湖南大學潘安練教授團隊聯手，合作制備出10×10像素化的柔性PD陣列，其分辨率達63.5 dpi。聯合團隊共同指導的博士生吳文強（第一作者）等人借助Al₂O₃輔助親水-疏水表面處理工藝，通過兩步連續沉積法在聚對苯二甲酸乙二醇酯聚合物(PET)襯底上實現大規模CH₃NH₃PbI_3?xCl_x陣列的可控制備。所制備的柔性PD陣列具有高的探測能力、大的開/關電流比和寬的光譜響應范圍，而且在大彎曲角下經過數百次彎曲試驗后，展現出優異的電學穩定性和耐折性，此外，該器件也可以實現實時捕捉光軌跡和成像的功能。相關成果以題為“Flexible Photodetector Arrays Based on Patterned CH₃NH₃PbI_3?xCl_x Perovskite Film for Real-Time Photosensing and Imaging”發表于期刊Advanced Materials。

【圖文導讀】

圖一 鈣鈦礦陣列的合成工藝與表征

（a）CH₃NH₃PbI_3?xCl_x陣列的合成工藝示意圖
（b）所合成的CH₃NH₃PbI_3?xCl_x陣列XRD圖譜，插圖：四方鈣鈦礦的晶格結構
（c）圖案化的CH₃NH₃PbI_3?xCl_x陣列的SEM圖像和薄膜表面的放大SEM圖像
（d,e）PET襯底上具有不同幾何形狀和更復雜圖案的大規模CH₃NH₃PbI_3?xCl_x薄膜的照片

圖二 柔性PD陣列的結構和制造工藝

（a）該器件的結構示意圖，插圖：設計的復雜電路
（b）該器件制備工藝的示意圖說明
（c）PD陣列的SEM圖像和器件中單像素的放大SEM圖像
（d）10×10像素的柔性PD陣列的光學圖像

圖三 PD陣列的光響應表征

（a）利用650 nm激光二極管對單像素在黑暗和光照下進行表征（對數I-V曲線），其光強度變化范圍為0.033-38.3 mW cm^-2
（b, c）不同光照強度下單像素的開/關電流比和瞬態光響應性能
（d）在光照強度為38.3 mW cm^-2下，偏壓為5V的單像素可重復的光響應
（e）不同光照強度下的光電流和探測能力
（f）固定功率密度為2 mW cm^-2，在黑暗和具有不同波長的光照下單像素的I-V曲線

圖四 柔性PD陣列的電穩定性

（a）偏壓為5 V，分別在黑暗和光照強度為6.5 mW cm^-2下具有不同彎曲角度的器件輸出電流，插圖是5種彎曲狀態下器件所對應的光學圖像，θ是彎曲角
（b）未彎曲和分別在100、200、300和500次彎曲循環后器件的對數I-V曲線
（c）不同彎曲循環后柔性PD陣列的歸一化開/關轉換行為

圖五 器件的實時光追蹤和成像應用演示

（a）在偏壓為5 V下PD陣列的統計暗電流
（b）在黑暗與汞燈光源的不同光照強度下，器件的平均電流
（c）自制的多通道數據采集系統示意圖
（d）通過一個掩模將光照施加在局部區域（像素點5和6），10個像素的V-t曲線，說明像素點之間沒有串擾
（e）實時光追蹤演示：（e-i）光點移動過程的示意圖和（e-ii）對應的軌跡，（e-iii）當光點通過對應的像素點時終端電壓的變化
（f）用于演示柔性PD陣列光成像示意圖

【小結】

研究人員已經展示了基于CH₃NH₃PbI_3?xCl_x薄膜的大規模柔性光電探測器陣列用于實時光探測和成像，該器件在多種環境下具有的優異性能而使其成為新型光電探測器的一種較為理想的裝置，相關研究人員也預測所制備的這種器件在光通信、數字顯示和人造電子皮膚等領域的光探測和成像方面具有巨大的潛力。

文獻連接：Flexible Photodetector Arrays Based on Patterned CH₃NH₃PbI_3?xCl_x Perovskite Film for Real-Time Photosensing and Imaging（Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201805913）

本文由材料人編輯部計算材料組杜成江編譯供稿，材料牛整理編輯。

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【作者簡介】

中國科學院北京納米能源與系統研究所潘曹峰教授團隊簡介：潘曹峰，研究員，博士生導師，先后入選2016自然基金委“優秀青年基金”獲得者，北京市特聘專家。2005、2010年分別在清華大學材料科學與工程系獲學士、博士學位，并獲得全國優秀博士學位論文獎。其后于美國佐治亞理工學院材料科學與工程學院進行博士后研究。2013年回國加入中科院北京納米能源與系統研究所，主要從事低維壓電半導體光電器件的壓電（光）電子學效應（壓電半導體中的力光電耦合效應）及微納光電功能器件研究。在Nat. Photon.、Nat. Comm.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Nano Energy、ACS Nano 等期刊上發表SCI論文140余篇，引用5200多次。現任Science Bulletin期刊材料學副主編，Nanotechnology的納米器件section editor。主持國家自然科學基金、科技部重點研發專項及中科科院、省部級人才基金等課題十余項。

湖南大學納米光子材料與器件潘安練教授團隊簡介：潘安練，省特聘教授，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，中組部“萬人計劃”領軍人才。2006年畢業于中國科學院物理研究所，隨后加盟湖南大學工作。同年底，赴德國馬普微結構物理研究所從事洪堡學者訪問研究。2007年底加入美國亞利桑那州立大學光子學研究中心和電子工程系做博士后訪問研究，隨后取得該校助理研究教授職位。 2009年獲得湖南省“芙蓉學者”特聘教授職位，入選教育部“新世紀優秀人才計劃”并獲湖南省自然科學杰出青年基金資助，2015年獲得國家杰出青年科學基金。現任微納結構物理與應用技術湖南省重點實驗室主任、中德半導體結構光子學聯合實驗室中方主任，湖南省物理學會常務理事、美國材料學會及美國光學學會會員，擔任Nano&Micro Letters等多個國際知名雜志的編委。近年來在納米光電材料能帶調控、可控生長和器件應用研究領域取得多項國際影響的系統研究成果，先后得到Science Daily，IOP等多家國際學術機構高度評價。在Nat. Nanotech.、Nat. Comm., Chem. Soc. Rev, Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、J. Am. Soc. Chem.等國際頂級期刊上發表論文近200篇，申請國內外專利十余項, 兩次獲湖南省自然科學一等獎（第一完成人）和省青年科技獎。主持國家自然科學基金、973課題（子項目）及省部級人才基金等課題十余項。

中國科學院北京納米能源與系統研究所潘曹峰教授團隊與湖南大學潘安練教授團隊最近在新型納米材料的合成和光電器件方面取得了多項具有國際影響力的研究成果。包括：2013年實現了利用壓電納米線LED陣列對壓力分布進行超高分辨率電致發光成像【Nat. Photonics 2013, 7, 752】；2015年組裝了利用壓電效應調制的大規模紫外光電探測器陣列【Adv. Mater. 2015, 27, 7963】；2016年利用壓電效應增強了ZnO/鈣鈦礦柔性太陽能電池的性能【Nano Energy 2016, 23, 27】；2017年利用新穎的兩步法合成高質量的鈣鈦礦薄膜并制備了高性能的柔性光電探測器【Adv. Mater. 2017, 29, 1703256】；2017年實現宏觀長度高質量的鈣鈦礦納米線的定向生長和光電應用【J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 15592】；2017年制成鈣鈦礦-硅酸鉺納米片混合波導近紅外通信波段的光電探測器【Adv. Mater. 2017, 29, 1604431】；2017年實現了通過直接汽相法生長鈣鈦礦CsPbBr₃納米線組裝電致發光器件【ACS Nano. 2017,11, 9869】；2018年利用低溫液相法合成大型超穩定全無機CsPbBr₃單晶薄膜并組裝了高性能光電探測器【Adv. Mater. 2018, 30, 1802110】；2018年受皮膚功能的激發組裝了多功能的高延展性的傳感器陣列【Nat. Commun. 2018, 9, 244】；2018年實現了基于CH₃NH₃PbI₃單晶的壓電效應增強的光電探探測器【ACS Nano.2018, 12, 10501】；2018年組裝了基于強激子-光子耦合的高質量的平面排列CsPbX₃鈣鈦礦納米線激光器【ACS Nano. 2018, 12, 6170】；2018年利用電場調制光致發光成像技術研究了金屬鹵化物鈣鈦礦納米粒子的載流子輸運特性【Nano Letters. 2018, 18, 3024】。

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