钙钛矿纳米金字塔阵列用于高性能光电探测

背景介绍

有机-无机杂化钙钛矿材料（如三碘化铅甲基铵，MAPbI3）具有高的光吸收系数、高的载流子迁移率和长的载流子扩散长度等特点，是构筑光电探测器的理想材料。为了进一步提升钙钛矿光电探测器的性能，科研工作者在提高钙钛矿薄膜的结晶度和吸光能力方面做了深入研究，其中比较常见的策略是制备高结晶度的微纳单晶或者引入具有吸光效应的微纳结构。其中引入微纳结构通常需要用到半导体工业中的光刻或电子束刻蚀技术，设备昂贵，工艺复杂，极大地限制了其大规模应用。因此，开发大规模、经济高效的微纳结构加工工艺是制备高性能钙钛矿光探测器的重要途径。通过合理设计微纳结构的周期和尺寸，可以有效利用其吸光效应，提高材料对光的吸收效率。目前，已经有一些微纳加工工艺用于制备光吸收增强的钙钛矿薄膜，但是大面积周期性钙钛矿微纳米阵列的制备仍然具有挑战性。

成果简介

同济大学许晓斌教授团队、黄佳教授团队联合加州大学洛杉矶分校Paul S. Weiss教授团队最近提出了一种通过纳米球光刻技术制备大面积SiO2/Si倒金字塔阵列的方法。通过简单地在SiO2/Si倒金字塔阵列表面旋涂钙钛矿溶液，就可以得到高结晶质量的钙钛矿纳米金字塔阵列。相比于平面钙钛矿薄膜，具备纳米金字塔阵列结构的钙钛矿薄膜的光吸收明显增强。该现象也符合FDTD光学模拟结果。由其制备的光电探测器在400-800 nm的可见光范围内具有显著的光响应，光响应度分布范围从21.3 ± 1.2 A/W 到 28.8 ± 1.0 A/W，比探测率分布范围从(2.6 ± 0.1) × 1011 Jones到(3.5 ± 0.1) × 1011 Jones，均在650 nm处达到峰值。该器件具有较快的响应速度，上升时间和衰减时间分别为0.7 ms和1.1 ms。此外，与常规基于平面钙钛矿薄膜的光电探测器相比，该光电探测器具有更宽的光响应范围，实验结果表明其对紫外光(340 nm)和红外光(1100 nm)均有较明显的光响应。此外，作者们还展示了由5 × 5光电探测器阵列组成的图像传感器，并成功进行了图像传感测试。

该工作以题为“Large-Area Periodic Organic–Inorganic Hybrid Perovskite Nanopyramid Arrays for High-Performance Photodetector and Image Sensor Applications”发表在美国化学会材料旗舰刊ACS Materials Letters 2021, 3, 1189-1196

图文导读

图一、利用纳米球光刻技术制备倒金字塔阵列

图二、在SiO2/Si倒金字塔阵列表面旋涂钙钛矿薄膜

(a) 钙钛矿镀膜示意图，(b-d) 扫描电镜图片

图三、基于钙钛矿纳米金字塔阵列的光电探测器

(a) 吸收光谱图，(b) 白光下的I-V曲线，(c) 不同波长光照下的I-V曲线，(d) 不同波长下的光响应度，(e) 光电流随光强变化曲线，(f-h) 不同光照下的响应曲线，(i, j) FDTD模拟

图四、基于钙钛矿纳米金字塔阵列的图像传感器

(a) 5 × 5阵列图像传感器示意图，(b) 单个像素点的光响应曲线，(c, d) 图像传感器输出结果

来源：材料人