北大Adv. Funct. Mater.:集诸多优点于一身的钙钛矿纳米晶光电探测器

前期所报道的光电探测器,一般通过活性材料的选择或器件结构的优化可以提升以上一到两项性能。但是让光电探测器全方面性能都获得巨大的提升,仍然是光电探测领域的一个巨大挑战。

【引言】

光电探测器广泛应用于光纤通信、生物传感、夜视等领域。以上等领域需求光电探测器在各方面都具有优异的性能,如:响应度、探测率、增益、动态线性范围和开关比等。前期所报道的光电探测器,一般通过活性材料的选择或器件结构的优化可以提升以上一到两项性能。但是让光电探测器全方面性能都获得巨大的提升,仍然是光电探测领域的一个巨大挑战。

【内容简介】

近日,北京大学郭雪峰教授与孙宝云教授(共同通讯作者)在Adv. Funct. Mater.上发表了一篇名为“Nanocrystalline Perovskite Hybrid Photodetectors with High Performance in Almost Every Figure of Merit”的文章。该研究提出了一种新型的基于石墨烯的钙钛矿纳米晶复合光电探测器,该探测器件的各方面性能都非常优异。其响应度高达5.6 × 108 A W−1,增益高达5.3×109,探测率达到2.8×1016琼斯,线性动态范围达到92dB。

【图文简介】

1:钙钛矿晶体和石墨烯纳米电极的制备和表征

北大Adv. Funct. Mater.:集诸多优点于一身的钙钛矿纳米晶光电探测器

(a). 用两步溶液法形成卤化物钙钛矿晶体的示意图;

(b-c). 硅片上的钙钛矿纳米晶的截面SEM图和高分辨率TEM图;

(d). 钙钛矿纳米晶的XRD谱,插图为钙钛矿纳米晶的结构示意图;

(e.). CVD生长的单层石墨烯转移到硅片上的拉曼谱,插图为石墨烯电极光学图。

图2:基于石墨烯纳米电极的钙钛矿纳米晶光电探测器件的性能表征

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(a). VDS=3V,VG=0V,不同强度白炽灯照射下器件的响应度,插图为器件示意图;

(b). VDS=3V, VG=0V,不同强度白炽灯照射下器件的探测率,器件微观结构的SEM图;

(c). VDS=3V, VG=0V,光照强度为25.86 mW cm-2,器件的三个开关循环。

(d). VDS=3V, VG=0V,器件的光电流与光照强度的关系,插图为对数曲线表现了器件的线性动态范围。

(e). VG=0V,不同偏压下,器件在不同单色光照射时对应的光增益;

(f). 不同光照强度下的器件的输出曲线,插图为半对数曲线。

图3:基于石墨烯电极的单晶钙钛矿光电器件的机理研究

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(a). 不同光照强度下器件的LnI-LnV曲线;

(b). 暗态下,器件的LnI-V1/2曲线;

(c). 暗态下,基于石墨烯电极的单晶钙钛矿器件的能带示意图;

(d). 暗态下,基于石墨烯电极的单晶钙钛矿同质p-n结的示意图;

(e). 光照时,基于石墨烯电极的单晶钙钛矿器件的能带示意图;

(f). 光照时,基于石墨烯电极的单晶钙钛矿同质p-n结的示意图。

图4:基于石墨烯纳米电极的氯掺杂钙钛矿纳米晶光电探测器件的性能表征

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(a). 氯掺杂钙钛矿纳米晶EDX表征, 氯掺杂钙钛矿晶体结构示意图;

(b). 两步法钙钛矿、一步法氯掺杂钙钛矿和两步法氯掺杂钙钛矿的PL谱;

(c). VDS=3V, VG=0V,不同强度白炽灯照射下器件的探测率,器件微观结构的SEM图;

(d). VDS=3V, VG=0V,不同强度白炽灯照射下器件的探测率,器件微观结构的SEM图;

(e). VDS=3V, VG=0V,光照强度为25.86 mW cm-2,器件的三个开关循环。

(f). VDS=3V, VG=0V,器件的光电流与光照强度的关系,插图为对数曲线表现了器件的线性动态范围。

(g). VG=0V,不同偏压下,器件在不同单色光照射时对应的光增益;

(h). 不同光照强度下的器件的输出曲线,插图为半对数曲线。

【小结】

研究者通过合理的石墨烯电极选择,并且利用新型的杂化钙钛矿作为活性材料,成功的研制出了一种性能优越的石墨烯纳米电极的钙钛矿纳米晶光电探测器。该器件具有高响应度、高探测率、高线性动态范围和宽光谱。该研究将推动光电探测在各领域的应用。

文献链接:Nanocrystalline Perovskite Hybrid Photodetectors with High Performance in Almost Every Figure of Merit (Adv. Funct. Mater. ,2017, DOI: 10.1002/adfm.201705589)

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