同濟許曉斌/黃佳&UCLA Paul Weiss最新ACS Mater. Lett.: 鈣鈦礦納米金字塔陣列用于高性能光電探測

youyoucao 2年前 (2021-07-09) 3189瀏覽

論文相關信息

第一作者：徐秀真；Wenfei Liu

通訊作者：許曉斌；黃佳； Paul S. Weiss

通訊單位：同濟大學；加州大學洛杉磯分校

論文DOI：10.1021/acsmaterialslett.1c00298

背景介紹

有機-無機雜化鈣鈦礦材料（如三碘化鉛甲基銨，MAPbI₃）具有高的光吸收系數、高的載流子遷移率和長的載流子擴散長度等特點，是構筑光電探測器的理想材料。為了進一步提升鈣鈦礦光電探測器的性能，科研工作者在提高鈣鈦礦薄膜的結晶度和吸光能力方面做了深入研究，其中比較常見的策略是制備高結晶度的微納單晶或者引入具有吸光效應的微納結構。其中引入微納結構通常需要用到半導體工業中的光刻或電子束刻蝕技術，設備昂貴，工藝復雜，極大地限制了其大規模應用。因此，開發大規模、經濟高效的微納結構加工工藝是制備高性能鈣鈦礦光探測器的重要途徑。通過合理設計微納結構的周期和尺寸，可以有效利用其吸光效應，提高材料對光的吸收效率。目前，已經有一些微納加工工藝用于制備光吸收增強的鈣鈦礦薄膜，但是大面積周期性鈣鈦礦微納米陣列的制備仍然具有挑戰性。

成果簡介

同濟大學許曉斌教授團隊、黃佳教授團隊聯合加州大學洛杉磯分校Paul S. Weiss教授團隊最近提出了一種通過納米球光刻技術制備大面積SiO₂/Si倒金字塔陣列的方法。通過簡單地在SiO₂/Si倒金字塔陣列表面旋涂鈣鈦礦溶液，就可以得到高結晶質量的鈣鈦礦納米金字塔陣列。相比于平面鈣鈦礦薄膜，具備納米金字塔陣列結構的鈣鈦礦薄膜的光吸收明顯增強。該現象也符合FDTD光學模擬結果。由其制備的光電探測器在400-800 nm的可見光范圍內具有顯著的光響應，光響應度分布范圍從21.3 ± 1.2 A/W 到 28.8 ± 1.0 A/W，比探測率分布范圍從(2.6 ± 0.1) × 10¹¹ Jones到(3.5 ± 0.1) × 10¹¹Jones，均在650 nm處達到峰值。該器件具有較快的響應速度，上升時間和衰減時間分別為0.7 ms和1.1 ms。此外，與常規基于平面鈣鈦礦薄膜的光電探測器相比，該光電探測器具有更寬的光響應范圍，實驗結果表明其對紫外光(340 nm)和紅外光(1100 nm)均有較明顯的光響應。此外，作者們還展示了由5 × 5光電探測器陣列組成的圖像傳感器，并成功進行了圖像傳感測試。

該工作以題為“Large-Area Periodic Organic–Inorganic Hybrid Perovskite Nanopyramid Arrays for High-Performance Photodetector and Image Sensor Applications”發表在美國化學會材料旗艦刊ACS Materials Letters 2021, 3, 1189-1196

圖文導讀

圖一、利用納米球光刻技術制備倒金字塔陣列