基于二维钙钛矿异质结的双窄带光电探测器

来源：X一MOL资讯

窄带光电探测器只对特定波段的光具有响应，这个特点使得窄带探测器具有颜色分辨的能力,在生物医学传感、成像、军事防御和机器视觉领域具有重要的应用。目前窄带光电探测器主要通过以下几个手段实现：(1) 将宽带光电探测器与光学滤波片相结合来实现；(2) 设计具有窄带吸收波段的材料；(3) 采用等离子体效应来增强材料窄带波长范围内的吸收；(4) 调控光生载流子收集效率。虽然上述策略可以获得窄带光电探测器，但是窄带双频光电探测器的研究仍处于起步阶段。

近日，华中科技大学光学与电子信息学院的李德慧（通讯）教授等人报道了一种合成(C4H9NH3)2PbI4/(C4H9NH3)2(CH3NH3)Pb2I7异质结构的方法，可获得厘米尺寸、可控厚度、可控结深度、高结晶质量的二维钙钛矿异质结，并实现了基于其的窄带双频段光电探测。

二维钙钛矿没有界面缺陷和晶格匹配等条件的制约是构建异质结构的理想材料。在之前的工作中，作者等人通过溶液和气固相插层相结合的方法，制备了大尺寸二维钙钛矿的水平和垂直异质结结构。然而，该方法只能获得结晶质量相对较差的多晶异质结构，导致它们的光电探测器性能不佳。因此，大规模、可控的高结晶性单晶二维钙钛矿异质结，对提高器件的光电性能十分必要。该课题组通过研究，在之前工作的基础上开发了一种溶液法合成(C4H9NH3)2PbI4/(C4H9NH3)2(CH3NH3)Pb2I7异质结的方法，这种方法可获得厘米尺寸、高纯度、可控厚度、可控异质结深度、高结晶质量且具有窄带双频光电响应的高稳定性异质结。根据(C4H9NH3)2PbI4和(C4H9NH3)2(CH3NH3)Pb2I7的不同晶格常数、溶解度和生长速率，首先在水-空气界面处生长(C4H9NH3)2PbI4，然后通过扩散过程形成(C4H9NH3)2(CH3NH3)Pb2I7层。这种生长过程可以通过控制原料浓度、反应温度和反应时间来获得具有不同厚度和结深度的异质结结构。通过X射线衍射可以证明异质结构的形成，利用横截面的光致发光成像和反射光谱可以推断异质结的宽度低于100 nm。

利用这种异质结构制作的光电探测器表现出低暗电流 (~ 10-12A)、高开关电流比(~ 103)和高效的窄带双频谱响应。在540 nm处具有20 nm的半峰宽，在610 nm处半峰宽为34 nm。这种合成方法对于其他二维钙钛矿来也是通用的，通过改变卤化物以及有机配体的成分，可以实现红色到蓝色光谱的连续调谐，并且所有探测器的FWHM < 40 nm。

相关成果发表在ACS Nano 上。文章的第一作者是华中科技大学光学与电子信息学院博士后王军和博士生李俊泽。

Controllable Growth of Centimeter-Sized 2D Perovskite Heterostructures for Highly Narrow Dual-Band Photodetectors

Jun Wang, Junze Li, Shangui Lan, Chen Fang, Hongzhi Shen, Qihua Xiong, Dehui Li.

ACS Nano, 2019, 13, 5, 5473-5484, DOI: 10.1021/acsnano.9b00259