Chip發表東北大學王軍團隊最新成果：基于0D-2D鈣鈦礦異質結構的高性能柔性光電探測器

kongxy 7個月前 (03-15) 792瀏覽

 

近日，東北大學王軍團隊以「High performance flexible photodetector based on 0D-2D perovskite heterostructure」1為題在Chip上發表最新研究成果，報道了一種基于0D/2D鈣鈦礦異質結結構的柔性光電探測器。本文第一作者為馬亞麗，通訊作者為王軍。Chip是全球唯一聚焦芯片類研究的綜合性國際期刊，是入選了國家高起點新刊計劃的「三類高質量論文」期刊之一。

 

引言

柔性光電探測器是可穿戴設備、可折疊顯示器件、生物醫學成像等系統中至關重要的有源器件。得益于高光學吸收系數、高載流子遷移率、可調節帶隙等特性，有機-無機雜化鈣鈦礦材料在柔性光電器件中的應用已經有不少報道，但是，先前報道的此類器件大多數是基于單一維度的鈣鈦礦材料。近年來，基于異質結結構的光電探測器在現代納米技術的各類應用領域中展示了巨大的潛力，包括視頻成像、夜視、光通信、運動監測等。使用異質結鈣鈦礦材料有望進一步提高器件的性能。

因此，本研究基于二維Dion-Jacobson (2D DJ)鈣鈦礦(4AMP)(MA)?Pb?I??（n3）和微濃度CsPbI?QDs（QDs）設計了n3/QDs層狀異質結構的柔性紫外-近紅外光電探測器。QDs顯示出強烈的光敏性和高功率輸出，在660 nm光下最佳濃度QDs的器件響應度增加到615%。兩者的帶隙接近，形成能帶匹配的結構，降低了載流子傳輸勢壘。QDs層填充鈣鈦礦膜的間隙，形成良好的異質結構。QDs層隔離水并鈍化鈣鈦礦層，以實現光電子器件的高穩定性能。在高達5000次彎曲形變和不同彎曲角度下，具有最佳QD濃度的光電探測器的性能幾乎保持不變，并且隨著彎曲循環次數的增加，器件表現出自愈現象。本工作的研究將為柔性可穿戴技術的發展、構建高性能低成本的光電探測器提供一種新的思路。

 

文章簡讀

n3/QDs層狀異質結構光電探測器是通過在n3薄膜上旋涂不同濃度的QDs制備而成。通過優化QDs濃度以獲得最佳光電性能。與其他光照相比，所有器件在660 nm光照下具有最佳的光響應。這是光源能量與帶隙匹配的結果（n3:1.99 eV，QD:1.80 eV）。在660 nm光照下，n3-0.5c的光電流比n3大515%。（圖1）

圖1 | n3/QDs層狀異質結構光電探測器件性能研究。

在3 V偏壓660 nm光照下，柔性n3-0.5c器件在不同彎曲次數后其暗電流和光電流都略比未彎曲前的低。經5000次彎曲形變后器件的光響應仍能保持初始狀態的97%。當彎曲的半徑從6.08 mm增加至11.36 mm時，n3-0.5c器件的光電流不發生變化。整體來說，n3-0.5c光電探測器具有良好的機械柔韌性。（圖2）

圖2 | n3/QDs層狀異質結構光電探測器件應力相應研究。

由于n3和QD的導帶底（CBM）和價帶頂（VBM）之間的差異非常小，載流子傳輸過程能量勢壘匹配。n3-0.5c異質結構具有最長壽命。帶隙較大的鈣鈦礦產生的光電子和空穴成為激子。量子點提高了鈣鈦礦中的載流子傳輸效率，并發出帶隙更窄的明亮光2。在光照下，作為光敏層的量子點吸收入射光以生成電子-空穴對。電子和空穴被轉移到Au電極上從而產生光電流。通過調節異質結結構中的量子點濃度可以獲得最佳的光電性能。（圖3）

圖3 | 光電探測器可能的機理示意圖。

值得一提的是，這種基于0D/2D鈣鈦礦異質結結構的光電探測器件可通過旋涂等方法制備而成，其制備工藝簡單和制備成本低廉，研制出的高性能柔性鈣鈦礦光電探測器有望集成于可穿戴設備和其它柔性光電子器件中，比如人造眼、柔性智能手機等等。

 

參考文獻

  1. Ma, Y., Li, Y., Wang, H., Wang, M. & Wang, J. High performance flexible photodetector based on 0D-2D perovskite heterostructure. Chip2, 100032 (2022).
  2. Ning, Z. et al. Quantum-dot-in-perovskite solids. Nature523, 324-328 (2015).

 

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472322000302

本文由作者供稿

 

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Chip是全球唯一聚焦芯片類研究的綜合性國際期刊，已入選由中國科協、教育部、科技部、中科院等單位聯合實施的「中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目」，為科技部鼓勵發表「三類高質量論文」期刊之一。

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