國家納米中心丁黎明團隊Adv. Mater.：一種電調制單色/雙色成像光電探測器

【引言】

在過去的幾十年里，成像技術取得了巨大的進步，從單元成像和單色焦平面陣列成像到第三代低成本、高分辨率成像和多光譜成像能力的成像技術。第三代成像技術能夠處理多個波段的信號，具有更好的目標識別能力。為了發展多光譜檢測，研究人員最初專注于雙色檢測，以及一系列已經提出了UV/UV、UV/可見光、UV/紅外（IR）、可見光/ IR和IR/IR雙色光電探測器。然而，目前的雙色光電探測器嚴重依賴于合金、超晶格和多量子阱結構的外延無機半導體。為了獲得高性能的雙色光電探測器，克服外延生長中半導體層之間的晶格和熱不匹配是一個挑戰。同時，高溫、高真空、復雜的制備工藝是不可避免的。到目前為止，只有IR/IR雙色光電探測器由于外延條件相似，不同外延半導體層間晶格不匹配較小而得到了成功的發展。目前雙色檢測器的發展趨勢是在不使用外部機械和光學元件的情況下將光譜選擇性集成到單個光檢測器像素中。因此，開發簡單和經濟有效的方法來制造可調諧的單色/雙色光電探測器是可取的。作為外延半導體的替代品，溶液處理有機半導體已經被公認為制造高性能窄波段或多波段光電探測器的經濟有效的替代品，其范圍從紫外線到近紅外（NIR）區域。值得注意的是，得益于一種新型非富勒烯受體（CO_i8DFIC）的窄帶隙和強大的近紅外吸收可與硅媲美，有機太陽能電池的功率轉換效率達到了14%以上。此外，還通過將富勒烯衍生物（PC₇₁BM）、聚合物供體（PTB7-Th）和CO_i8DFIC共混形成三元異質結，制備了有機光電探測器。但有機光電探測器由于有機半導體的電荷載流子遷移率低、激子結合能高，響應速度慢。因此，結合鈣鈦礦材料和小分子的優點，可以在可見光和近紅外波段實現高性能的雙色光電探測器。

【成果簡介】

近日，在國家納米科學中心丁黎明研究員、蘭州大學靳志文教授、中國科學院半導體研究所沈國震教授和吉林大學沈亮教授團隊等人帶領下，與哈爾濱師范大學、哈爾濱工業大學、貴州理工學院、鄭州大學和中國科學技術大學合作，基于CO_i8DFIC /鈣鈦礦(CH₃NH₃PbBr₃)混合膜，研制了一種響應速度快的電調制單色/雙色成像光電探測器。由于I型異質結，該器件可以通過施加較小的偏置電壓方便地將輕松地將雙色圖像轉換為單色圖像。光電探測器在不提供任何電源的情況下，分別在≈544 nm（可見光區）和≈920 nm（近紅外區）顯示出兩種不同的截止波長。在≈525 nm時，其兩種峰值響應速率為0.16 A W^?1，在快速響應速率（≈10² ns）的≈860 nm時，其兩種峰值響應速率分別為0.041 A W^?1。在0.6 V偏壓下，光電探測器可以在單色模式下工作，峰值響應率在≈475 nm時為0.09 A?W^?1，顯示出快速響應速度（≈10² ns）。建立了一個基于能帶能量理論的物理模型來解釋可調諧單色/雙色光檢測的起源。這項工作將激發開發用于復雜環境下成像光電探測的溶液處理多功能光電探測器的新方法。這項工作將激發出在復雜環境下開發解決方案處理的多功能光電檢測器的新方法。該成果以題為“An Electrically Modulated Single-Color/Dual-Color Imaging Photodetector”發表在了Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 光電探測器的結構

a）光電探測器的結構。

b）CO_i8DFIC的化學結構。

c）光電探測器的橫截面SEM圖像。

d）MAPbBr₃、CO_i8DFIC和MAPbBr₃/CO_i8DFIC薄膜的吸收光譜。

e，f）在黑暗（e）和光照（f）下，0 V時MAPbBr₃/CO_i8DFIC異質結的能帶示意圖。

圖2 光電探測器的光電性能

a）在黑暗中和太陽模擬器（AM 1.5G，100 mW cm^-2）下光電探測器的J-V曲線。

b）光電探測器噪聲電流隨頻率的變化。

c）光電探測器在0 V時的響應光譜。

d）光電探測器的比探測光譜（D *）。

e）自制的瞬態光響應測量系統原理圖。

f）在510和850 nm脈沖激光的激發下，光探測器在0 V時的瞬態光響應。

圖3?光電探測器的成像系統原理圖

a）使用光電探測器作為成像像素的成像系統原理圖。

b）雙色（可見：左；NIR：右）成像系統在0 V時成像結。

c）成像系統在0.6 V時成像結果。

圖4?光電探測器的響應度

a，c）MAPbBr₃/CO_i8DFIC雙層的能帶圖：a）在-0.6 V下；c）在0.6 V下。

b，d）光照下光電探測器的響應度：b）在-0.6 V下；d）在0.6 V下。

圖5?光電探測器的響應曲線

a，b）光照下光電探測器的響應曲線：a）反向偏壓； b）正向偏壓。

【小結】

綜上所述，開發出了具有可轉換單色/雙色成像功能的解決方案處理型光電探測器。該光電探測器可以在不需要電源的情況下進行高保真的可見光/近紅外雙色成像。通過施加0.6?V的正向偏壓，可以簡單地轉換為可見光單色成像模式。該光電探測器在兩種工作模式下具有超快的響應速度。這項工作提供了一種利用鈣鈦礦和有機小分子開發可轉換光電探測器的方法。

文獻鏈接：An Electrically Modulated Single-Color/Dual-Color Imaging Photodetector（Adv. Mater.，2020，DOI:10.1002/adma.201907257）

【團隊介紹】

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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