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Advanced Materials 深圳大学高性能无机钙钛矿光电探测器应用于光通讯领域

通过优化器件结构和提高钙钛矿薄膜质量,大幅提高了无机钙钛矿CsPbIxBr3-x光电探测器的灵敏度和响应速度,并演示了其在光通讯领域的应用。

Advanced Materials  深圳大学高性能无机钙钛矿光电探测器应用于光通讯领域

光电探测器是光通讯的核心部件之一,其市场目前主要由基于硅、铟镓砷等传统半导体的p-i-n型和雪崩二极管占据,这些材料或器件的制备通常需要高温或高真空环境且制程复杂。为了开发制程简单且不需要高温和高真空制备环境的光电探测器,特别是为了满足柔性可穿戴设备的需求,有机半导体、半导体量子点等新型材料在光电探测器领域得到了大量的研究,而这些半导体较低的载流子迁移率制约了其在高响应速率探测器的应用。

金属卤化物钙钛矿材料是近几年发展起来的可溶液法制备的半导体光电材料,由于具有较高的载流子迁移率和较长的载流子寿命,在包括太阳电池、光电探测器、发光二极管等光电器件得到了大量的研究。

目前稳定性是制约此类钙钛矿器件发展的一个重要因素,无机金属卤化物钙钛矿(CsPbIxBr3-x)相对于有机-无机复合型钙钛矿(CH3NH3PbI3等)具有更好的环境稳定性和热稳定性,被认为有希望用于制备更具稳定性的钙钛矿太阳电池和光电探测器等光电器件。而无机钙钛矿光电探测器到目前为止其性能和稳定性主要受限于器件结构和钙钛矿的薄膜质量,此前报道的探测极限仅为µW/cm2级别,响应时间为几十微秒以上,这大大限制了此类探测器的研究和应用。

Advanced Materials  深圳大学高性能无机钙钛矿光电探测器应用于光通讯领域

深圳大学二维材料光电科技国际合作联合实验室张文静教授课题组与瑞典林雪平大学高峰副教授课题组合作,通过优化器件结构和提高钙钛矿薄膜质量,大幅提高了无机钙钛矿CsPbIxBr3-x光电探测器的灵敏度和响应速度,并演示了其在光通讯领域的应用。

Advanced Materials  深圳大学高性能无机钙钛矿光电探测器应用于光通讯领域

他们制备了具有叠层p-i-n结构的CsPbIxBr3-x光电探测器,通过引入一层极薄的有机分子层,使得衬底对钙钛矿前驱液的浸润性得到,从而提高了钙钛矿层的覆盖度和成膜质量。

Advanced Materials  深圳大学高性能无机钙钛矿光电探测器应用于光通讯领域

器件制备时除金属电极用热蒸镀外其它各层均用旋涂法制备且退火温度都不高于100°C。由于引入了电子和空穴阻挡层,使得器件的暗电流和暗噪声电流大大降低,从而使器件的实测探测极限降到了21.5 pW cm-2,由于内建电场的存在和薄膜的缺陷密度降低,器件的响应时间降到了20 ns左右,其探测极限和响应速率均已大大超越了之前报道的无机钙钛矿光电探测器,接近有机-无机复合型钙钛矿光电探测器的最高水平。

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此外,器件的环境稳定性和热稳定性相对于有机-无机复合型钙钛矿器件也得到了大幅度的提升,没有封装的器件在空气中放置2000小时左右其响应率仍能保持初始响应率的80%以上。具有高灵敏度、高响应速度和较好的稳定性是光通讯领域对光电探测器的基本要求,研究者们以此类探测器为光信号接收器,组装了可见光通讯原型系统并进行了文字和音频的传输演示。该工作表明无机钙钛矿光电探测器有望作为硅、铟镓砷等光电探测器的补充,在光通讯领域得到应用。

文献信息:

Bao C, Yang J, Bai S, et al. High Performance and Stable All‐Inorganic Metal Halide Perovskite‐Based Photodetectors for Optical Communication Applications[J]. Advanced Materials, 2018: 1803422.

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