長春光機所等研制出高靈敏度鈣鈦礦單晶-石墨烯復(fù)合垂直結(jié)構(gòu)光電探測器
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】近日，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所光子實驗室的于偉利與羅切斯特大學(xué)郭春雷研究團隊合作，針對基于鈣鈦礦多晶薄膜的光電探測器性能易受晶界和晶粒缺陷的影響問題，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，制備出了先進的垂直結(jié)構(gòu)光電探測器。
近幾十年來，光電探測器受到學(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、生物檢測、圖像傳感、空間探測等領(lǐng)域。甲基銨鹵化鉛鈣鈦礦(CH3NH3PbX3, X=Cl,Br,I)是近年來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、長載流子擴散系數(shù)等優(yōu)點，逐漸成為制備光電探測器的前沿?zé)狳c材料。目前，基于鈣鈦礦多晶薄膜的光電探測器性能距預(yù)期仍有一定距離，一個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的負面影響尚未解決。
該研究團隊利用空間限域反溫度結(jié)晶方法生長出的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)光探測器。所制備的垂直結(jié)構(gòu)光電探測器在室溫下具有較高的光電探測率(~ 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器相比，鈣鈦礦-石墨烯復(fù)合垂直結(jié)構(gòu)光電探測器的光電性能(光響應(yīng)度、光探測率和光電導(dǎo)增益)提高了近一個數(shù)量級。載流子超快動力學(xué)研究證明，該器件性能的提高主要歸因于高質(zhì)量鈣鈦礦單晶的鈣鈦礦載流子壽命增長和石墨烯對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。
該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、輸運方面的協(xié)同優(yōu)勢，實現(xiàn)了器件性能的提升，展現(xiàn)了器件結(jié)構(gòu)及能帶設(shè)計對器件性能的調(diào)控能力，為制備高性能鈣鈦礦光電探測器提供了新思路。
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