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香港理工大学严锋课题组:基于钙钛矿/有机半导体垂直异质结的超灵敏宽波段光电晶体管

2017-11-13

近期,香港理工大学严锋教授课题组采用具有强光吸收、长载流子寿命的钙钛矿材料,利用溶液法制备了钙钛矿/有机半导体垂直异质结光电晶体管,成功研制了具有超高光电导增益的宽波段低电压光电探测器。该成果发表在Light: Science & Applications [6, e17023, (2017)]上。

从紫外-可见到近红外宽波段光谱范围内具有超灵敏光电响应的光电探测器,在图像传感、过程控制和安全检测等诸多工业与科学领域具有十分重要的应用。实现超灵敏光电探测器的关键在于获得超高光电导增益,这意味着一个入射光子可以诱导多个光生载流子参与光电流传导。目前使用较多的高光增益光电探测器主要是基于雪崩光电二极管或者光电倍增管。但是这些光电探测器往往需要十分复杂苛刻的制备工艺和较高的工作电压,并且具有较大的体积,导致了昂贵的使用成本以及诸多使用不便。

基于光门控效应是实现高光增益光电探测器的有效策略之一。类似于场效应,光门控效应通过光照调控光电探测器沟道中的载流子浓度,进而调控其电流。目前基于光门控效应的石墨烯和纳米材料复合光电晶体管可以获得高达108 AW-1的超高光灵敏度。但是这些光电晶体管无法通过便利的溶液法来制备,因而无法十分有效地降低器件制备成本。

针对这一难题,研究团队利用溶液法制备了钙钛矿/有机半导体垂直异质结光电晶体管。如图1所示,CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿和PEDOT:PSS之间形成了II型垂直异质结。

图1 (a) 钙钛矿/有机半导体垂直异质结光电晶体管示意图;(b) 器件能带图及电荷分离示意图;(c) 895 nm近红外光照射下器件的光响应度;(d) 器件的光谱响应及光吸收谱

由于合适的能级结构,钙钛矿层中的光生空穴很容易移动到PEDOT:PSS层中,而光生电子则留在钙钛矿层中,从而实现光生电子和空穴的有效分离,降低了光生载流子复合几率。空穴在PEDOT:PSS沟道中循环多次,实现了高光电导增益和光响应度。与此同时,积累在钙钛矿层中的电子可以产生有效的栅电压,通过光门控效应调控PEDOT:PSS层的电流。基于这种结构的光电晶体管在紫外-可见到近红外宽波段光谱范围的光响应度高达109 AW-1,比探测率超过1014 Jones。此外,研究团队还制备了基于该种结构的柔性光电探测器,在近红外光波段,其响应度接近109 AW-1。在高达300次的弯曲测试之后,所制备的柔性光电探测器能够保持良好的光电探测性能。

该结果充分展示了钙钛矿材料及其异质结在低成本、超灵敏、宽波段、低电压柔性光电探测领域的巨大应用潜力。这项工作成果也为实现超灵敏光电晶体管和其他高性能光电器件提供了一个新的设计思路。

文章链接:https://www.nature.com/lsa/journal/v6/n8/full/lsa201723a.html