Adv.Mater.:一種高性能極性敏感光電探測器用一維對稱排列鈣鈦礦結構材料

【引言】

單晶金屬鹵化物鈣鈦礦材料比如有機無機雜化的CH₃NH₃PbX₃材料、全有機的CsPbX₃材料，都具有很好的光電性能，因而廣泛應用于太陽能電池、高增益的光電探測器等領域之中。相比于多晶薄膜材料，單晶材料由于具有高純度相、沒有晶界、長距離有序等優點，所以無論是宏觀晶體還是微觀的納米晶體都很好的性能。但是，宏觀的鈣鈦礦單晶材料本身難以整合應用于集成器件領域，微觀的鈣鈦礦單晶材料雖然能夠整合，不過其的大小、位置、取向等難以控制，這也是微觀的鈣鈦礦單晶材料在集成光電子器件領域應用的主要障礙。晶體生長過程中精密的處理不僅會有利于設備的集成，而且會讓材料有很好的性能。高縱橫比的一維單晶材料由于具有很好的各項異性的光吸收，可以應用于極性敏感的光電器件當中，但是基于一維單晶材料光電探測器雖然具有很好的光吸收、光致發光、光導等特性，但是其產生光電流的能力十分微弱，這也大大阻礙了一維單晶材料在光電探測器中的應用。想要制備具有高光電流信號、高極性各項異性一維光電單晶材料，有一種方法是讓該一維材料嚴格排列，且具有結晶學對稱順序，但是這種方法的實現也是現在厄待解決的問題。

【成果簡介】

近日，來自中科院理化技術研究所吳雨辰（通訊作者）等人找到了一種控制一維鈣鈦礦結構單晶材料生長過程中晶體排列的簡單方法，而且展示了該方法生成的一維鈣鈦礦結構單晶材料在高性能光電探測器領域中的應用。

他們在生長一維鈣鈦礦結構單晶材料（CsPbBr₃）過程中，將一個非對稱-濕潤系統作為平臺，來對晶體的位置、晶體的排列、液體流動熱力學過程進行精準的管理，這種方法生長出來的一維鈣鈦礦單晶材料具有很高的結晶度和結晶學有序性。用該材料制作的光電探測器有很高的響應率和響應速度，性能十分優異。

他們的工作大大推動了一維鈣鈦礦單晶材料在光電探測器應急領域的應用。他們設計的非對稱-濕潤系統平臺具有新意，其不僅能夠為制備高質量、高結晶學對稱的晶體提高一種靈活有效的方法，而且該方法還可以應用于其他材料之中，推進其他材料的集成應用。

【圖文導讀】

圖1? 結晶學對稱的一維鈣鈦礦結構單晶材料的生長過程

? (a-c) 非對稱-濕潤的微觀柱結構模板與平面目標底物構建的狹縫中的液體的計算流體力學數值模擬圖。隨著溶劑的蒸發，“毛細管界面尾隨移動”會讓液體聚集于疏液-親液邊界上，這可以用來控制鈣鈦礦晶體成核的位置和生長的方向。

（d-f）裝配系統中溶液的去濕和“毛細管界面尾隨”構造晶體的原位熒光顯微鏡觀察圖，毛細管沿著疏液-親液邊界尾隨可以支配鈣鈦礦材料結晶為一維構型。比例尺為5 μm。

（g）非對稱-濕潤的微觀柱結構模板主導的“毛細管界面尾隨”現象的典型的SEM圖。

（h）疏液頂和親液側壁構造的毛細狹縫示意圖。比例尺為2 μm。

（i）單個毛細管狹縫中的計算流體流動示意圖。

圖2? 鈣鈦礦晶體的結構和形態

（a）一維鈣鈦礦陣列的具有代表性的SEM圖。比例尺為5 μm。

（b）一維單晶鈣鈦礦結構材料的TEM圖。插圖是選區電子衍射選區圖，說明鈣鈦礦晶體的生長方向是 [100] 方向。比例尺為500 nm。

（c）高分辨TEM圖，顯示的是距離為0.41nm的一組平面點陣。比例尺為5 nm。

（d）一維單晶鈣鈦礦材料的掠入射廣角電子衍射圖，說明該一維結構材料的取向方向是[100] 方向。

（e）晶軸和生長方向都為[100] 方向的立方CsPbBr₃一維材料平面晶體結構示意圖。

（f）(100)平面（q_xy = 1.07 、q_z = 0）掠入射廣角模式下的角度掃描圖。

圖3? 電壓-電流跟蹤特征曲線和壽命特征曲線

（a）一維單晶鈣鈦礦結構陣列材料的電壓-電流跟蹤特征曲線圖。陷阱態密度是在V_TFL = 2.9 V下提取的。

（b）一維單晶鈣鈦礦結構陣列材料PL衰變動力學圖。PL壽命是通過雙指數擬合獲得的，其顯示短的壽命有6.9 ± 0.7 ns ，長的壽命有27.2 ± 2.3 ns 。

圖4? 單晶鈣鈦礦結構材料光電探測器的設備性能

（a）不同光照功率下一維單晶鈣鈦礦結構陣列材料的暗電流和光電流。插圖是黑暗和照明電源功率為2.82 nW條件下電源-電壓的對數曲線。

（b）不同入射功率條件下設備的光電流和響應率。

（c）不同光照功率下鈣鈦礦光電探測器I-t響應曲線。

（d）光照功率2.82 nW條件下時間響應曲線，其顯示上升時間為21.5 μs，衰減時間為23.4 μs。

圖5? 一維單晶鈣鈦礦結構陣列材料各項異性光吸收和極性敏感光電探測

（a）極性與光吸收圖譜。

（b）一維單晶鈣鈦礦結構陣列材料極性相關吸收強度。

（c）不同偏振角度的入射光下一維單晶鈣鈦礦結構陣列材料的光電流響應。入射角為0°，我們規定為一維單晶鈣鈦礦結構陣列材料生長方向。偏振角度被黑色箭頭標識，其指向相應的光電流。

（d）一維單晶鈣鈦礦結構陣列材料極性敏感光電探測器示意圖。當入射角度為0°時，光的電場方向沿著一維單晶鈣鈦礦結構陣列材料的長軸方向。隨著極化轉向，光電流顯示出很大的極化依賴性。

（e）極化與光電流圖譜。

【小結】

他們構造了一個非對稱-濕潤系統，將其作為平臺，成功制備出了高結晶度、高有序的一維鈣鈦礦結構材料。他們用這種材料制備出相關光電探測器件，發現該光電探測器具有各項異性極化敏感的同時具有較高的光電流，解決了一維鈣鈦礦結構材料在光電探測器中應用的一大難題。他們的方法也可推廣到其他材料中去，推動其它材料的集成化應用。

文獻鏈接：Crystallographically Aligned Perovskite Structures for High-Performance Polarization-Sensitive Photodetectors（Advanced Materials,2017, DOI/10.1002/adma.201605993）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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