Adv. Mater.：鈣鈦礦硅酸鹽復合納米片用于近紅外混合波導光電探測器

【引言】

近年來，甲胺鹵化物鈣鈦礦由于其出色的光電特性，吸引了廣泛關注。迄今為止，人們利用鈣鈦礦制備了很多先進器件，例如太陽能電池，發光二極管，激光等人們也用鈣鈦礦材料制備了光電探測器，然而受限于鈣鈦礦固有的帶隙在1.5eV左右，制備的探測器僅能探測可見光波段。而紅外波段的探測對于紅外影像，信息通訊等領域都有著廣泛應用。

【成果簡介】

湖南大學的潘安練教授（通訊作者）課題組制備了一種鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片，可以作為波導空腔，在紅外光照射下產生可見光，與高質量的鈣鈦礦薄膜復合，制備了鈣鈦礦-鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片混合波導光電探測器。由于鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片高效的能量轉化效率，探測器對于波長在1.54um左右的通訊信號有著很強的光相應。并且響應時間短，僅為硅基光電探測器的1/5。由于其較好的光電特性以及低成本，易于制備的特點，是一種理想的光電探測器的候選材料。

【圖文導讀】

圖1：鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片和鈣鈦礦薄膜的形貌與結構

(a)(b) 鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片的SEM和TEM形貌圖

(c)??(b)圖中所示區域的高倍透射電鏡晶格圖像

(d)(e)鈣鈦礦-鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片混合波導光電探測器的橫截面與俯視SEM圖片

(f)鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片, 鈣鈦礦和鈣鈦礦-鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片混合波導光電探測器的XRD圖像

圖2：鈣鈦礦-鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片中的輻射能量轉移

(a)?? 鈣鈦礦薄膜的吸收和發射光譜

(b)? 能級圖和能量轉移示意圖

(c)?? 原始鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片和鈣鈦礦-鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片混合物的發射光譜。800nm處的發射峰增強了30倍左右。右上角的圖片顯示了可見圖像。

圖3：鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片和鈣鈦礦-鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片混合物空間分辨光譜

(a)?? 檢測原始鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片的光波導平臺原理示意圖。

(b)? 隨著傳播距離增加，發射峰強度變化圖像。

(c)?? 原始鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片隨傳播距離增加，發射強度與原始強度的比值變化圖。

(d)? 檢測鈣鈦礦-鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片混合物的光波導平臺原理示意圖。

(e)?? 覆蓋了鈣鈦礦薄膜的鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片發射強度隨傳播距離變化圖。

(f)??? 混合物隨傳播距離增加，發射強度與原始強度的比值變化圖。

(g)? 鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片波導空腔與鈣鈦礦相互作用的詳細結構圖。

(h)?? 傳導模在550nm時，橫截面場強度模擬分布示意圖。

圖4：鈣鈦礦-鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片混合物的光響應示意圖

(a)?? 器件的原理圖。

(b)? 原始鈣鈦礦和鈣鈦礦-鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片混合物在黑暗和1530nm光激發下的I-V曲線。

(c)?? 不同功率密度下光電流和漏電壓關系圖。

(d)? 1V的電壓下，探測器光電流隨能量密度變化圖。

(e)?? 不同功率密度下的響應和量子效率圖。

(f)??? 0.14W/cm²功率密度下，激發波長變化而導致的I-V曲線變化圖。

(g)? V=1V時，光電流隨激發波長變化圖。

(h)?? 功率密度為0.14W/cm²時，響應率和量子效率隨入射波長變化圖。

(i)???? 功率密度為0.14W/cm²時，響應率和量子效率隨偏壓變化圖。

圖5：混合光探測器的開關特性

(a)?? 探測器在黑暗和1530nm光照激發下的開關特性

(b)? (c)為偏壓1V，能量密度0.14W/cm²下的開啟和關閉時間。

【小結】

作者創造性的將鐿化鉺硅酸鹽單晶納米片波導空腔和高質量的甲胺鹵化鉛鈣鈦礦薄膜結合，第一次實現了基于鈣鈦礦的近紅外光電探測器。通過結合兩種材料的優勢，探測器具有著非常高的光響應能力和很短的反應時間，另外由于其成本低，易于制備的特性，使其相對于硅基探測器有著明顯的優勢。這種材料在未來的光探測器件上有著非常廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Perovskite–Erbium Silicate Nanosheet Hybrid Waveguide Photodetectors at the Near-Infrared Telecommunication Band (Adv. Mater.,2017,DOI: 10.1002/adma.201604431)

本文由材料人編輯部納米小組gyzdxhzy整理編譯，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！ ?