背景介紹

由于高性能鹵化物鈣鈦礦（HP）光電探測(cè)器（PDs）具有響應(yīng)速度快、自供電功能、溶液處理成本低等優(yōu)點(diǎn)而成為一種有應(yīng)用前景的新型光電器件。但是HP PDs存在探測(cè)能力（D*）低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)而嚴(yán)重阻礙了其被廣泛使用。其中，這些HP PDs的D*低是由于高暗電流（Id）所導(dǎo)致，而穩(wěn)定性差則是由于水分降解和離子遷移造成。然而，高的Id是因?yàn)樵谳斔蛯雍虷P材料之間的界面處有較差的空穴/電子阻擋能力。此外，各輸送層與溶液處理過(guò)的HP之間存在接觸不良而導(dǎo)致泄漏電流是無(wú)法避免的。除HP固有的不穩(wěn)定性外，經(jīng)典的器件結(jié)構(gòu)也影響其穩(wěn)定性。因此，在顯著提高HP PDs的穩(wěn)定性時(shí)，盡可能的提高D*的值顯得非常重要。

成果簡(jiǎn)介

近日，湖北大學(xué)的王浩教授、南京理工大學(xué)的曾海波教授和李曉明教授（共同通訊作者）聯(lián)合報(bào)道了通過(guò)引入隧道有機(jī)層以解決器件的探測(cè)率低、HPs固有的不穩(wěn)定性和離子遷移引起的界面劣化問(wèn)題。光致載流子可以通過(guò)Fowler Nordheim隧道效應(yīng)在適當(dāng)厚度的界面（聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA）層間流動(dòng)。由于暗電流的有效控制，光/暗電流比達(dá)到了2.13×108，并且峰值檢測(cè)能力高達(dá)1.24×1013 Jones。在此基礎(chǔ)上，244 pW的微弱光信號(hào)也可通過(guò)PD陣列進(jìn)行精確成像。此外，疏水性有機(jī)層抑制了由水分解和離子遷移導(dǎo)致界面反應(yīng)而引起HPs的破壞，在潮濕環(huán)境中連續(xù)工作48 h觀察到的響應(yīng)衰減基本可忽略不計(jì)。這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種增強(qiáng)基于鈣鈦礦的光電和光伏器件的性能和穩(wěn)定性的新策略。該研究成果以題為“Interfacial-Tunneling-Effect-Enhanced CsPbBr3 Photodetectors Featuring High Detectivity and Stability”發(fā)布在國(guó)際著名期刊Adv. Funct. Mater.上，第一作者為湖北大學(xué)碩士生曾俊鵬。

圖文解讀

圖一、利用電荷隧道層來(lái)增強(qiáng)基于CsPbBr3局部放電的設(shè)計(jì)

（a-b）不使用或使用帶PMMA的PDs的能級(jí)分布和光子產(chǎn)生的載流子傳輸特性；

（c）激光激發(fā)后載流子（h+）的隧穿效應(yīng)示意圖；

（d-e）具有和不具有PMMA的CsPbBr3 IO膜的PL衰減和PL光譜曲線(xiàn)。

圖二、IO薄膜和器件的形貌表征

（a）空間受限的CsPbBr3 IO薄膜的俯視SEM圖像；

（b）器件的橫截面SEM圖像。

圖三、PMMA層引起隧穿和界面效應(yīng)

（a）在不同PMMA厚度的器件中，CsPbBr3/PTAA界面處的光生電動(dòng)力學(xué)示意圖；

（b-c）使用不同的PMMA前體溶液濃度器件的TPV和J-V曲線(xiàn)。

圖四、對(duì)超微弱光的探測(cè)能力

（a）在黑暗和各種光強(qiáng)度下測(cè)得的局部放電的J-V曲線(xiàn)；

（b）在各種光強(qiáng)度下，器件的Jph。

圖五、極大的提高了PDs的探測(cè)能力

（a）R和D*隨0 V入射光強(qiáng)度變化的曲線(xiàn)圖；

（b）在黑暗和442 nm激光下，光強(qiáng)度不同和弱的情況下，PD的J-V曲線(xiàn)。

圖六、弱光成像應(yīng)用的初始探究

（a）弱光成像系統(tǒng)的示意圖；

（b-c）成像結(jié)果和用于比較的手機(jī)圖片。

圖七、增強(qiáng)PD的穩(wěn)定性

（a）Device-W老化機(jī)制的示意圖；

（b）Device-P中保護(hù)效果的示意圖；

（c）老化30天后，Device-W和Device-P的照片；

（d）有和沒(méi)有PMMA的情況下，CsPbBr3 IO薄膜表面上水滴的靜態(tài)接觸角；

（e）在大約20℃、60％RH的條件下，進(jìn)行了約48 h測(cè)試后Device-W和Device-P的歸一化I-T曲線(xiàn)；

（f）在約20℃和40％RH的條件下，Device-W和Device-P的光響應(yīng)性變化。

小結(jié)  

綜上所述，作者利用ZnO/CsPbBr3/PMMA/PTAA異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備了高靈敏度和穩(wěn)定性的PDs。在PTAA和CsPbBr3 IO光吸收劑之間插入厚度優(yōu)化的PMMA絕緣層，有效地抑制了Jd，同時(shí)有效改善了隧穿光電流。因此，這些器件獲得了超高的開(kāi)/關(guān)比（>2.13×108），同時(shí)獲得R值為0.34 A W-1和D*為1.24×1013 Jones。此外，PDs具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，在環(huán)境存儲(chǔ)1000 h或連續(xù)運(yùn)行48 h后，其光響應(yīng)性能幾乎沒(méi)有下降。并且通過(guò)成像系統(tǒng)證明了對(duì)超弱光的探測(cè)能力?？傊?，該研究提出的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件為光電和光伏器件設(shè)計(jì)的提供了一種新思路。

文獻(xiàn)鏈接：Interfacial-Tunneling-Effect-Enhanced CsPbBr3 Photodetectors Featuring High Detectivity and Stability（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201904461）

通訊作者簡(jiǎn)介

王浩，湖北省楚天學(xué)者計(jì)劃特聘教授、二級(jí)教授、博士生導(dǎo)師，兼任中國(guó)儀表功能材料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)半導(dǎo)體三維集成制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長(zhǎng)。1989、1994年于華中科技大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士、博士學(xué)位，1994-2002年先后在北京大學(xué)、香港中文大學(xué)做博士后，2002年任上海交通大學(xué)教授，2010年任劍橋大學(xué)高級(jí)研究員，2013-2019先后任芬蘭阿爾托大學(xué)、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心、瑞典皇家工學(xué)院、德國(guó)馬普研究所、臺(tái)灣中山大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)教授。主要從事鈣鈦礦光電探測(cè)器、存儲(chǔ)器、新能源材料與器件的研究，主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)子課題和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的研究，在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy等發(fā)表SCⅠ論文160余篇，SCI引用3000余次，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)，獲省部級(jí)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，國(guó)際國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議特邀報(bào)告20余場(chǎng)次。

李曉明，南京理工大學(xué)青年教授。長(zhǎng)期聚焦于膠體發(fā)光納米顆粒的低成本合成技術(shù)、表界面相關(guān)的豐富物理化學(xué)特性及應(yīng)用研究。同時(shí)開(kāi)展基于上述膠體顆粒的光電器件應(yīng)用研究（光電及射線(xiàn)探測(cè)器等）。（1）發(fā)展了基于過(guò)飽和析晶、非均勻形核等熱動(dòng)力學(xué)調(diào)控的無(wú)機(jī)鹵素鈣鈦礦量子點(diǎn)低成本合成方法，被國(guó)際同行評(píng)論為“經(jīng)典的合成方法”。（2）揭示了鈣鈦礦量子點(diǎn)表面鹵素空位對(duì)激子復(fù)合動(dòng)力學(xué)的影響機(jī)制，提出了表面鹵素自鈍化效應(yīng)及原位鹵素鈍化策略，獲得了全光譜范圍量子效率接近100%、半高寬接近理論極限的熒光發(fā)射，與南洋理工大學(xué)孫漢東教授合作在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦量子點(diǎn)微納激光器。（3）提出了基于三維空間界面重構(gòu)的鈣鈦礦量子點(diǎn)發(fā)光調(diào)控策略，發(fā)展了基于“等效配體”新概念的高穩(wěn)定鈣鈦礦量子點(diǎn)合成方法，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦量子點(diǎn)光穩(wěn)定性、激光發(fā)射熱穩(wěn)定性的大幅度提高。研究成果發(fā)表SCI論文50余篇，包括Adv. Mater.、Angew. Chem、Nano Lett.等?？傄?000余次(google scholar)，H因子30。

相關(guān)文獻(xiàn)：

(1) Xiaoming Li et al. CsPbX3 Quantum Dots for Lighting and Displays: Room-Temperature Synthesis, Photoluminescence Superiorities, Underlying Origins and White Light-Emitting Diodes. Advanced Functional Materials 2016, 26, 2435–2445.

(2) Xiaoming Li et al. Amino-mediated Anchoring Perovskite Quantum Dots for Stable and Low-threshold Random Lasing. Advanced Materials 2017, 29, 1701185.

(3) Dandan Yang, Xiaoming Li*, et al. CsPbBr3 Quantum Dots 2.0: Benzenesulfonic Acid Equivalent Ligand Awakens Complete Purification. Advanced Materials 2019, 31, 1900767.

(4) Ye Wu, Xiaoming Li* et al. In Situ Passivation of PbBr64– Octahedra toward Blue Luminescent CsPbBr3 Nanoplatelets with Near 100% Absolute Quantum Yield. ACS Energy Letters 2018, 3 (9), 2030

(5) Junpeng Zeng, Xiaoming Li* et al. Space-Confined Growth of CsPbBr3 Film Achieving Photodetectors with High Performance in All Figures of Merit. Advanced Functional Materials 2018, 28, 201804394.

本文由CQR編譯。