高效垂直結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器研制成功

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近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所光子實(shí)驗(yàn)室的于偉利與羅切斯特大學(xué)郭春雷研究團(tuán)隊(duì)合作針對(duì)基于鈣鈦礦多晶薄膜的光電探測(cè)器性能易受晶界和晶粒缺陷的影響這一問(wèn)題，采用空間限域反溫度結(jié)晶方法，合成了具有極低表面缺陷密度的MAPbBr3薄單晶，并將該高質(zhì)量的薄單晶與高載流子遷移率的單層石墨烯結(jié)合，制備出了高效的垂直結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器。

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　　近幾十年來(lái)，光電探測(cè)器受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用到光通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物檢測(cè)、圖像傳感、空間探測(cè)等領(lǐng)域。甲基銨鹵化鉛鈣鈦礦(CH3NH3PbX3, X=Cl, Br, I)是近年來(lái)興起的一種鈣鈦礦材料，因其具有直接帶隙、寬光譜響應(yīng)、高吸收系數(shù)、高載流子遷移率、長(zhǎng)載流子擴(kuò)散系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為制備光電探測(cè)器的前沿?zé)狳c(diǎn)材料。目前，基于鈣鈦礦多晶薄膜的光電探測(cè)器性能距預(yù)期仍有一定的距離，一個(gè)主要原因在于載流子在界面的傳輸易受晶界和晶粒缺陷的影響。許多研究組嘗試將鈣鈦礦多晶薄膜與高遷移率二維材料相結(jié)合來(lái)提高器件的性能，并取得了一定的效果，但鈣鈦礦多晶晶界帶來(lái)的負(fù)面影響尚未解決。

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　　研究團(tuán)隊(duì)利用空間限域反溫度結(jié)晶方法生長(zhǎng)出的MAPbBr3薄單晶具有亞納米表面粗糙度且沒有明顯的晶粒界疇；可以結(jié)合高質(zhì)量鈣鈦礦單晶合成技術(shù)和單層石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)制備高性能的垂直結(jié)構(gòu)光探測(cè)器。所制備的垂直結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器在室溫下具有較高的光電探測(cè)率(~ 2.02×1013 Jones)；在532 nm激光照射下，與純鈣鈦礦MAPbBr3單晶薄膜的光電探測(cè)器相比，鈣鈦礦-石墨烯復(fù)合垂直結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的光電性能(光響應(yīng)度、光探測(cè)率和光電導(dǎo)增益)提高了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。載流子超快動(dòng)力學(xué)研究證明該器件性能的提高主要?dú)w因于高質(zhì)量鈣鈦礦單晶的鈣鈦礦載流子壽命增長(zhǎng)和石墨烯對(duì)自由電荷的有效提取及傳輸。相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在Small(DOI: 10.1002/smll.202000733)上。

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　　這項(xiàng)研究將鈣鈦礦單晶材料和二維材料石墨烯有效結(jié)合在一起，利用二者在載流子產(chǎn)生、輸運(yùn)方面的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了器件性能的大幅提升，展現(xiàn)了器件結(jié)構(gòu)及能帶設(shè)計(jì)對(duì)器件性能的調(diào)控能力，揭示了載流子的有效提取和高效傳輸機(jī)制，為制備高性能鈣鈦礦光電探測(cè)器提供了一條新思路，也對(duì)鈣鈦礦-二維材料復(fù)合光電器件的研究和發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。

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