中科院王吉政教授Adv. Mater.: 高性能溶劑法制備橫向結構光探測器的設計策略

【引言】

光可以被看作是一種媒介，除了傳輸能量，它還可以傳遞信息。在這個信息時代，信息的傳遞變得越來越重要，光探測器可以將光信號轉換成更為容易處理、分析和記錄的電信號，從而獲得由光傳遞的信息。在各種制備方法和器件結構中，溶劑法制備的橫向結構光探測器具有許多獨特的優點。在制備方面，溶劑法（包括旋涂，噴涂，浸泡等），是制備薄膜（特別是大面積薄膜）的相對簡單的方法，并且成本和能耗較低。在器件結構方面，橫向結構通常具有更好的穩定性和可重復性，并且易于添加柵電極，以調節器件的工作狀態。在應用方面，溶劑法制備的橫向結構光探測器更加易于集成和制作透明設備。

光探測器的器件性能主要取決于活性材料和器件結構。可分散的無機材料極大地簡化了薄膜的制備，同時保持了良好的導電性；有機小分子材料和聚合物材料具有較寬的波長響應，特別是在可見光區域，并且可以通過改變官能團對其性能進行調節；有機-無機雜化材料體系也是一個很有前途的發展方向，其兼具了良好的電學和光學性能；鈣鈦礦材料以其優異的光電性能正在成為一個新的研究方向。此外，具有一定微結構（包括納米顆粒，納米線，納米片等）的活性材料也被廣泛研究，得益于其特有的性能（例如量子尺寸效應和各向異性等），這些材料在器件中有著廣泛的應用。除了對活性材料的發掘，改變器件結構也是一種提高性能的有效方法。共混、雙層和多層結構有助于提高器件的響應度，擴展探測范圍和加快反應速度。

【成果簡介】

近日，中科院王吉政教授課題組從活性材料到器件結構，系統地介紹和討論了改進溶劑法制備的橫向結構光探測器器件性能的策略。首先，作者簡要闡述了橫向結構光探測器的工作機制，并闡明了表征器件性能的主要參數。然后，根據活性材料的種類，將器件分為：無機、有機、雜化和鈣鈦礦器件，并分別總結了相應的改進方法。最后，作者對其進行了概括，并為該領域的進一步發展提出了詳細的建議。該成果以題為“Strategies Toward High-Performance Solution-Processed Lateral Photodetectors”發表在Adv. Mater.上。

Figure 1.PbS QDs光探測器的器件結構和性能表征

(a,c)基于PbS量子點的無機器件的示意圖

(b)對于Au摻雜比為100:2的器件，在暗態和不同光強下的I-V曲線，小圖為不同Au摻雜比例下器件的開關特性曲線

(d)單層器件和雙層器件在光照條件下的I-V曲線

Figure 2.基于ZnO納米晶的器件結構和性能表征

(a,c)基于ZnO納米晶體的無機器件的示意圖

(b)GD:ZnO/ZnO雙層器件的開關特性曲線

(d)對于使用不同方法處理的器件，在暗態和光照條件下的I-V曲線

Figure 3.基于各種量子點的器件示意圖和性能表征

(a,c,e)基于各種QDs的無機器件示意圖

(b)在暗態下以及在254和302nm光照條件下的器件I-V曲線

(d)基于不同活性層的器件的轉移曲線

(f)在UV-MIR波段光照條件下器件的J-V曲線

Figure 4.具有p-i-n結構的有機器件的結構和性能表征

(a)具有p-i-n結構的有機器件的示意圖

(b)基于不同活性層的器件的光電流譜

(c)器件的制備過程

Figure 5.基于PCBM與PSeTPTI結合的有機器件的結構和性能表征

(a,c)基于PCBM與PSeTPTI結合的有機器件的示意圖

(b)暗態和光照條件下器件的轉移曲線

(d)暗態和光照條件下器件的I-V曲線

Figure 6.基于各種有機材料的器件示意圖和性能表征

(a,c)基于各種有機材料的器件的示意圖

(b)具有和不具有DNA層的器件在暗態和光照條件下的I-V曲線

(d)基于不同活性層的器件在暗態和光照條件下的I-V曲線

Figure 7.具有微結構的有機器件示意圖和性能表征

(a,c)具有微結構的有機器件的示意圖

(b)暗態和不同波長照射下器件的I-V曲線

(d)暗態和不同光照強度下器件的I-V曲線

Figure 8.基于ZnO與有機材料結合的雜化器件的示意圖和性能表征

(a,c)基于ZnO與有機材料結合的雜化器件的示意圖

(b)基于不同活性層的器件在光照條件下的I-V曲線

(d)具有和不具有ZnO納米顆粒的器件，在暗態和光照條件下的I-V曲線

Figure 9.基于各種雜化材料體系的器件示意圖和性能表征

(a,c,e)基于各種雜化材料體系的器件的示意圖

(b)暗態和不同波長照射下器件的轉移曲線

(d)基于不同活性層的器件在暗態和光照條件下的I-V曲線

(f)單層器件和雙層器件的光電流譜

Figure 10.有機-無機鈣鈦礦器件的示意圖和性能表征

(a,c)有機-無機鈣鈦礦器件的示意圖

(b)暗態和不同波長照射下器件的I-V曲線

(d)暗態和光照條件下器件的I-V曲線

Figure 11.基于有機-無機鈣鈦礦與其他材料結合的器件的示意圖和性能表征

(a,c,e)基于有機-無機鈣鈦礦與其他材料結合的器件的示意圖

(b)暗態和不同光照強度下器件的轉移曲線

(d)基于不同活性層的器件在暗態和光照條件下的I-V曲線

(f)基于IGZO（左）和MAPbI₃/IGZO（右）的器件在暗態和不同波長照射下的I-V曲線

Figure 12.全無機鈣鈦礦器件的示意圖和性能表征

(a,c)全無機鈣鈦礦器件的示意圖

(b)在不同波長照射下器件的光電流和響應度

(d)暗態和不同光照強度下器件的I-V曲線

Figure 13.基于全無機鈣鈦礦與其他材料結合的器件的示意圖和性能表征

(a,c)基于全無機鈣鈦礦與其他材料結合的器件的示意圖

(b)不同波長照射下器件的光電流

(d)具有和不具有PCBM的器件，在暗態和光照條件下的I-V曲線

【小結】

在這個工作中，作者總結了用于提高溶劑法制備的橫向結構光探測器性能的主要策略。作者首先介紹了非常基本的器件工作原理，然后根據活性層材料將器件分為四類：無機、有機、雜化和鈣鈦礦器件，分別介紹和討論了提高其性能的策略。作者認為這些策略主要從三個方面提高了器件性能：其一是通過制作各種微結構增加材料的結晶度，摻雜具有高載流子遷移率的材料，以及增加電荷傳輸層來提高載流子遷移率。高遷移率對響應度至關重要，因為增益直接由電子和空穴的遷移率決定。其二是通過混合不同材料以形成體異質結或制作多個功能層以形成平面異質結來構建異質結。具有適當能級排布的異質結對于光探測器具有許多益處，例如抑制暗電流，增加光電流和反應速度。其三是通過鈍化晶界和薄膜表面或使用具有低維結構的材料來減少缺陷。缺陷可能會俘獲正在傳輸的載流子并對器件性能產生不利影響，尤其是對于光電流和反應速度。最后，作者還對光探測器的未來發展提出了一些建議：調整活性材料的成分，使其在暗態下具有較低的載流子濃度，同時保持高遷移率；改善不同層之間的界面，從而更有效地分離載流子；利用缺陷來減少暗電流并增加載流子壽命。此外，目前在提高光探測器性能方面還存在著一些取舍（如高遷移率和低暗電流，長載流子壽命和高工作頻率，高增益和低工作電壓等），可以根據實際需求進行選擇。

Strategies Toward High-Performance Solution-Processed Lateral Photodetectors

(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201901473)

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?

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