天大姚建銓院士Photonics Research:激光刻蝕rGO/CsPbBr3打造自驅動、柔性、超寬譜光電探測器


作者:Yifan Li, Yating Zhang, Zhiliang Chen, Qingyan Li, Tengteng Li, Mengyao Li, Hongliang Zhao, Quan Sheng, Wei Shi and Jianquan Yao?

Photonics Research?2020年第8卷 第8期

研究背景

高性能,自驅動且具備柔性特性的超寬譜光電探測器在生物成像、光通信、導彈制導、遙感等諸多光電子系統中起著重要的作用。但是,由于現有的材料和技術手段的缺乏,實現這些需求仍然是一個巨大的挑戰。近年來,隨著新型半導體材料的發展,基于塞貝克效應的光熱電(PTE) PD由于具有在零電壓下超寬帶檢測的能力,重新引起人們的興趣。

近年來,部分科研小組利用激光刻蝕法成功地制造出了氧化還原石墨。激光刻蝕還原氧化石墨烯(LSG)具有可以實現任意尺寸氧化石墨烯的生長,制備周期從幾小時縮短到幾分鐘且不需要特殊的化學試劑和高溫度等的優點,是一種非常有潛力的三維泡沫石墨烯的制備方法。同時,鈣鈦礦材料被證實不僅具有優異的光電特性,還是一種極具潛力的熱電材料,具有較大的賽貝克系數和較低的熱導。

成果簡介

近日,天津大學姚建銓院士、張雅婷副教授、李依凡博士課題組提出利用LSG/CsPbBr3復合材料制備了自驅動柔性的光電器件,實現了紫外-太赫茲超寬光譜探測。通過LGS/CsPbBr3復合材料的設計,增強了光熱電系統的光電轉換能力,同時利用激光刻蝕還原氧化石墨烯的方法實現柔性材料的制備,為高性能,柔性超寬譜探測器的研制提供了新的途徑。相關研究成果發表在Photonics Research 2020年第8期上。

較低的響應度是制約自驅動石墨烯光電探測器廣泛應用的關鍵因素,同時利用柔性材料的制備困難也是不容忽視的一個問題。為解決此難點,團隊通過LSG/CsPbBr3復合材料的設計,增強器件的光電性能轉化的同時制備出具有柔性特性的材料。通過基本的材料表征手段結果顯示,激光還原的石墨烯具有蜂窩網狀結構,同時CsPbBr3晶體均勻地附著在LSG表面,具有更強的光吸收能力、熱性能和長范圍的導電網絡結構。

光電特性實驗顯示,LSG/CsPbBr3復合材料器件比LSG器件光響應高5倍,且響應時間快一倍。LSG/CsPbBr3復合材料器件在405 nm至 2.52 THz波長范圍內的多波段激光輻照下展示出穩定且可重復的光開關特性,隨著輻照光波長的增加,光響應度降低。在零偏壓下表現出高的響應度為100 mA /W@405 nm和10 mA /W @118 μm以及18 ms快速響應時間。

在此基礎上,利用光熱電理論模型以及溫度/光電流變化曲線充分證明了該器件的光熱電效應機制。

這項工作表明,LSG/CsPbBr3器件是室溫下構建高性能、柔性、自驅動超寬帶探測器有潛力的候選材料,為未來自驅動柔性的超寬帶、高靈敏度新型光電探測器研究提供理論基礎和技術支撐。

該工作近期以“Self-powered, flexible, and ultrabroadband ultraviolet-terahertz photodetector based on a laser-reduced graphene oxide/CsPbBr3?composite”為題發表在期刊Photonics Research(DOI:?10.1364/PRJ.395090)上,文章第一作者為博士研究生李依凡,通訊作者為張雅婷副教授,姚建銓教授。

相關工作得到國家自然科學基金(61675147, 61605141, 61735010, 91838301)國家重點研發項目(2017YFA0700202)和深圳市基礎研究項目(JCYJ20170412154447469)等項目的資助。

圖文導讀

圖1?LSG/CsPbBr3器件制備過程

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圖2 LSG/CsPbBr3材料表征

圖3 LSG/CsPbBr3復合材料與LSG材料器件光電特性對比

圖4 LSG/CsPbBr3器件與LSG材料器件寬光譜光電特性對比以及超寬譜響應

圖5 LSG/CsPbBr3器件光熱電機理論證

圖6?LSG/CsPbBr3器件柔性測試

作者團隊介紹:

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。

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

本文由天津大學精密儀器與光電子工程學院姚建銓院士團隊供稿。

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