光電探測器進軍高帶寬時代

材料牛注：傳統的光電探測器受限于特定狹頻帶寬內的光源，俄羅斯莫斯科物理技術學院（MIPT）的科學家Vadim Agafonov帶領他的跨國團隊經過不懈努力，探索出探測器加工中的紫外線處理方法，實現了在帶寬限制方面上的突破。

紫外線輻射下氧的去吸附。來源：MIPT Press Office

光電探測器廣泛應用于智能手機、空間站等領域的系統和設備中，但傳統的光電探測器僅對特定狹頻帶寬內的光源敏感，這就給產品開發者帶來了諸多困擾。MIPT的科學家與中國和沙特阿拉伯的同行一道探索出了解決方案。研究人員在Advanced Functional Materials上發表的文章指出，紫外線處理可將傳統的光電探測器轉變為高帶寬設備。

大量光電探測器由于寬范圍頻率敏感度的要求，極難設計。這主要是因為能夠通過紫外線的襯底往往不能通過紅外線，反之亦然。MIPT的分子電子學中心主管，論文作者之一的Vadim Agafonov說道：“我們發現了一種擴大光電探測器光譜響應的方法。”

由Vadim Agafonov和中國科學院長春應用化學研究所、沙特阿拉伯國王大學的科學家共同組建的研究團隊基于器件內部的光電效應，對聚合物光電探測器進了研究。光源可以通過影響聚合物內部電子的重新分布從而改變導電率。有機材料的光電探測器相較于普通無機材料具有許多優點，包括低成本，易加工和良好的物理延展性。結果表明設備中的紫外線輻射通過影響表面的特定元素，達到改變材料敏感性的效果。

研究人員進行了一項試驗，試驗中將以聚合物基體的光電探測器滲入氧化鋅粒子并進行紫外線處理30秒。結果表明，試驗獲得的高性能光電探測器拓寬了光譜響應，且對比于紫外線處理之前30%的最大外部量子效率（EQE），處理后的光電探測器EQE可以達到140000%。EQE作為光電探測器重要的品質因數可以定義為“脫落”電子數與入射光子的比值。從這個角度分析，紫外線處理之前十個光子入射僅能產生三個電子，而在紫外線處理之后相同入射光子數卻能產生14000個光電子。但是，即使在沒有光子進入光電探測器時，探測器內部暗電流的增加卻會導致噪音量變大。

研究人員認為紫外線對于探測器的奇妙影響在于使氧原子從氧化鋅粒子中分離。在光電探測器的制造過程中，氧分子被半導體粒子表面所吸收，即氧氣從導帶上捕獲電子，導致被捕獲的電子不再是電荷載體。這也說明表層氧化鋅已經成為電子傳遞的障礙。

氧化鋅吸收紫外線輻射，部分價電子受到激發躍遷到導帶上。導帶上的自由電子可以重新作為電荷載體，且在偏置電壓0.5V作用下，甚至可以產生最小可測量光功率強度，可以達到60pW/cm²。

Vadim Agafonov說道：“你可以將一個聚合物光電探測器轉換成一個高度敏感的寬帶設備，且處理過程迅速、廉價、高效，這在實際運用中極為重要。”

從論文中可以看出，在電子探測器生產過程中僅進行一次紫外線處理，就可以達到拓寬光譜響應的效果。不僅如此，由于半導體表面的密封鋁層隔絕氧氣，因此能夠保證器件在加工結束后，新特性仍保持不變。

研究人員希望在不改變器件優越性能和寬光譜范圍的前提下，盡量消除紫外線輻射探測器后產生的副作用（例如：暗電流的激增）。光電探測器的紫外線處理方式可以運用到成像、大氣遙感等各個領域。

原文鏈接：UV Light Improves Smartphone Cameras。

文獻鏈接：Ultrahigh Gain Polymer Photodetectors with Spectral Response from UV to Near-Infrared Using ZnO Nanoparticles as Anode Interfacial Layer。

本文由材料人編輯部丁菲菲提供素材，馬秋晨編譯，薛文嘉審核，點我加入材料人編輯部。