姚建銓院士/張雅婷Nano Lett.：基于CH3NH3PbI3鈣鈦礦膜在UV到THz范圍內實現超寬帶檢測和高靈敏度的光電探測器

CYM 3年前 (2020-07-08) 6126瀏覽

【引言】?

近年來，將光信號覆蓋到電信號中的光電探測器（PDs），已廣泛應用于光電成像、光通信和光學遙感等領域。迄今為止，大多數關于光電探測器的研究都集中在特定波長波段的檢測或窄帶檢測上。因此，在目前復雜的應用環境中，多個PDs被用來滿足多波長或跨波長的檢測要求，從而增加了操作的復雜性和數據的不穩定性。與窄帶PDs相比，在單個器件中具有從UV到THz范圍的光探測能力的超寬帶PDs對于工業和科學應用是至關重要和不可缺少的。然而，很少有探測器被報道來實現超寬帶檢測。其中，有機-無機雜化鈣鈦礦MAPbX3結構（其中MA=CH3NH3+或CH(NH2)2+，X=I、Br或Cl）因其高的載流子遷移率、大的光吸收系數和寬的光譜吸收，從而引起了人們的廣泛關注。到目前為止，鈣鈦礦在太陽能電池和高靈敏度光電探測器領域取得了顯著進展，通過使用Sn或添加另一種紅外吸收材料取代Pb，已多次嘗試將其響應波長擴展到Vis范圍以外，但檢測波長仍然小于2000nm，未達到中紅外（MIR）或太赫茲波段。對于鈣鈦礦而言，熱電是另一個重要的性質，鈣鈦礦具有超低的導熱系數和較高的Seebeck系數，是一種很有前途的熱電材料，從而給熱電器件帶來了新的發現。一般而言，熱電PDs利用各種物理效應將光誘導的溫升轉化為電信號，包括測輻射熱效應、Seebeck效應和熱釋電效應。由于沒有波長的選擇性，這些類型的PDs總是有很大的響應范圍。因此，鈣鈦礦熱電PDs有望將光響應波長范圍擴展到THz波段，并將在未來得到廣泛的應用。

【成果簡介】

近日，天津大學姚建銓院士、張雅婷副教授（共同通訊作者）等人提出并制備了一種雙機制CH3NH3PbI3（MAPbI3）PD，其結合了UV-Vis范圍內的光電導響應和MIR-THz范圍內的輻射熱響應。研究結果表明，MAPbI3?PDs由于具有光電-熱電雙模工作機制，可以實現覆蓋UV至THz范圍的超寬帶光電探測，其高響應度分別達到105mA W-1和102mA W-1。此外，使用1064 nm脈沖激光測量了76 ns的快速響應時間。這項工作為鈣鈦礦型熱電探測器的發展打開了一扇門，并證明MAPBI3是一種很有前途的超寬帶PD材料。相關研究成果以“Ultra-broadband, Ultraviolet to Terahertz and High Sensitivity CH3NH3PbI3 Perovskite Photodetectors”為題發表在Nano Lett.上。

?【圖文導讀】

圖一、MAPbI3的物理性質

（a）MAPbI3光電探測器的結構原理圖；

（b）MAPbI3光電探測器的橫截面SEM圖像；

（c）MAPBI3薄膜表面形貌SEM圖像；

（d）MAPbI3薄膜的XRD圖譜；

（e）在400~2200nm范圍內，MAPbI3光電探測器的吸收光譜；

（f）在110~1000nm范圍內，MAPbI3光電探測器的THz TDS光譜。

?圖二、在405nm輻射下，MAPbI3光電探測器的光電響應特性

（a）在不同功率密度的405 nm激光輻射情況下，光電探測器在黑暗和輻射下的電流電壓（I-V）特性；

（b）光電探測器在405 nm對數響應度作為激光照射功率密度的函數；

（c）在405nm的不同功率密度輻射下，光電探測器的對數響應作為施加電壓的函數；

（d）在405nm的輻射下，器件的歸一化檢測(D*)和噪聲等效功率(NEP)作為外加電壓的函數。

?圖三、在紅外和太赫茲照明下，MAPbI3光電探測器的光電響應特性

（a-c）在1064nm、10.6和118μm（2.52THz）激光器下，0.01V偏置電壓下的雙對數坐標光響應度隨光功率密度的變化而變化；

（d）在2.52THz的黑暗和不同輻射下，光電探測器的I-V特性；

（e）在2.52THz的不同光照下，光電探測器的對數響應作為外加電壓的函數；

（f）在2.52THz下，D*和NEP作為外加電壓的函；

（g）高速響應測試系統示意圖；

（h）MAPbI3裝置的升降時間特性曲線。

?圖四、MAPbI3光電探測器的寬帶響應

（a）光電探測器在黑暗和不同波長下的I-V特性；

（b）光電探測器在黑暗和10.6和118μm波長照射下的I-V特性；

（c）器件的電阻隨波長的變化；

（d）在0.01V偏置電壓下，波長范圍從400nm到118μm的超寬帶光電流；

（e）在0.01V偏置電壓下，全光譜D*和NEP作為波長的函數；

（f）不同偏置電壓下MAPbI3光電探測器的全光譜光響應度。

圖五、熱電響應機制

（a，b）在黑暗和1064nm激光照射下的溫度分布的熱電響應機理；

（c）在0.01V偏置電壓下和1064nm輻射下，光電流和溫度隨時間的變化曲線；

（d，e）器件在黑暗和118μm激光輻射下的溫度分布；

（f）在0.01V偏置電壓下和在2.52THz輻射下，光電流和溫度隨時間的變化曲線；

（g）在1064nm激光激發下，電阻隨溫度的變化而變化；

（h，i）電阻隨激光功率密度的變化。

?【小結】

總而言之，作者設計并制備了一種雙機制MAPbI3超寬帶PDs。響應范圍覆蓋UV-Vis-MIR-THz波段，并且在UV-Vis和NIR-THz波段，光電流的產生分別以光導效應和輻射熱效應為主。在1V低偏置電壓下，獲得了105?mA W-1對紫外-可見范圍的高響應度和102?mA W-1對近紅外-太赫茲波段的高響應度。此外，在1064nm輻射下，測量了76ns（上升時間）和126ns（下降時間）的快速響應時間。這項工作不僅證明了MAPBI3用于THz檢測的唯一性和有效性，而且為超寬帶光電檢測提供了新的見解。

文獻鏈接：“Ultra-broadband, Ultraviolet to Terahertz and High Sensitivity CH3NH3PbI3?Perovskite Photodetectors”(Nano Lett.，2020，10.1021/acs.nanolett.0c00082)

團隊介紹：

姚建銓院士、張雅婷副教授團隊由姚建銓院士和張雅婷副教授以及若干博士生和碩士生所組成，屬于天津大學精密儀器與光電子工程學院的激光與光子學研究所中的一支科研力量。

近年來致力于光電器件的研究工作，研究的器件包括光電探測器、太赫茲探測器、光電存儲器等。相關領域共發表學術論文90余篇，SCI收錄70余篇（近5年論文50余篇，其中一區論文17篇。其中一篇篇論文于2017發表在ACS Photonics上，當年被該雜志評為亞洲地區高被引論文榜第5位，2019被SCI評為高被引論文。

l相關領域的其他論文還有：

  1. Journal of Physical Chemistry Letters, 2020,11(3):767-774,10.1021/acs.jpclett.9b03409
  2. Journal of Materials Chemistry, 2020,8(6):2178-2185,10.1039/c9tc06230k
  3. Photonics Research, 2020,8(3):368-374,10.1364/PRJ.380249
  4. Photonics Research, 2020, Accepted,
  5. Carbon, 2020,163:34-42,10.1016/j.carbon.2020.03.019
  6. Photonics Research, 2019,7(2):149-154,10.1364/PRJ.7.000149
  7. Nanoscale, 2019,11(12):5746-5753,10.1039/c9nr00675c
  8. Advanced Optical Materials, 2018,6(21):1800639, 10.1002/adom.201800639
  9. Advanced Optical Materials, 2017,5(2):1600434, 10.1002/adom.201600434
  10. Journal of Physical Chemistry Letters, 2017, 8(2):445-451, 10.1021/acs.jpclett.6b02423
  11. ACS Photonics, 2017,4(3):584-592, 10.1021/acsphotonics.6b00896
  12. ACS Photonics, 2017,4(4):950- 956, 10.1021/acsphotonics.6b01049
  13. ACS Applied Materials and Interfaces, 2017,9 37:32001-32007, 10.1021/acsami.7b06629
  14. ACS Photonics, 2017,4(9):2220-2227, 10.1021/acsphotonics.7b00416
  15. Advanced Optical Materials, 2017,5(24):1700565, 10.1002/adom.201700565
  16. Journal of Materials Chemistry C, 2016,4(7):1420-1424, 10.1039/c5tc04007h

本文由CYM編譯供稿。

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