集线成林,聚光化影——三维高密度卤化物钙钛矿纳米线阵列图像传感器

从古时候起,人们就幻想可以通过千里眼和顺风耳来了解遥远的世界。由于过去两百年里人类快速的科技进步,图像和语音已经可以跨越亿万公里之遥,在太阳系内的行星际空间传播。而在现代生活中,我们每天都在进行大量的图像记录与传输。这些技术实现的关键部件之一就是高质量的图像传感器。在过去几十年,随着半导体技术的突飞猛进,图像传感器如CCD, CMOS等,也在迅猛发展。然而成也萧何,败也萧何。近年来,随着摩尔定律的沉寂,图像传感器的发展也举步维艰,每前进一小步也要付出巨大的代价。其中最重要的表现就是图像传感器的单一像素的性能及像素点的集成度都难以进一步提高,这意味着我们无法获得更高质量,如对比度和分辨率的图片。因此,寻找新的材料和器件结构来促进图像传感器的发展刻不容缓。

一维半导体纳米结构,如纳米线和纳米棒等,在径向尺度狭小,在轴向却拥有良好的载流子传输性能。这种特性使得它们具备独特的电学与光学性质,从而在诸多半导体器件如晶体管、二极管、存储器和传感器中都有着潜在的应用。此外,近年开发的金属卤化钙钛矿材料,具有良好的吸光特性,可调的禁带宽度及微米级的载流子扩散长度,因此在光电领域获得了巨大的发展。若将这类具优异光学及电学性质的材料与纳米线结构结合在一起,有可能会引起光电子领域革命性的发展。但是,当前仍缺乏可靠的方法生长钙钛矿纳米线。此外,目前多数纳米线器件仍基于单根或多根纳米线。这类器件可以用于基础特性研究或概念验证,但由于其输出信号小,可靠性低,最重要的是难以有序集成,因此无法广泛应用于实际器件中。

am-fanzhiyong

高集成和可控的纳米线生长一直是制约着纳米线器件应用的难题。实现高密度和几何可控性钙钛矿纳米线的生长更是难上加难。近期,香港科技大学电子与计算机工程系的范智勇教授研究团队(第一作者为顾磊磊博士)首次通过独特的气-固-固相反应过程成功在超薄的多孔氧化铝模板上制备出大尺寸,高度有序的三维钙钛矿纳米线阵列。此方法结合了钙钛矿材料固有的优良的光电性质与纳米线阵列的高密度集成性,必将在光电子领域上发挥其广阔的应用前景。更引人瞩目的是,这种高度规整有序的阵列结构使得每个独立的纳米线都可以实现定址访问,因此尤其适合超大规模集成电路(VLSI)电子设备和光电设备。具体到图像传感器,该结构可以极大提高像素点的性能与集成度,从而提高获得图像的对比度与分辨率。范智勇团队已经利用此项技术装配成具有1024个像素的图像传感器,可以记录静态和动态的图像。进一步证实了该应用前景。相信在不久的将来,这种独特的器件制作工艺的应用也会进一步拓宽和启发新型多功能光电子器件的设计思路。

本工作以封面文章的形式发表在Wiley旗下期刊Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201601603)上。