基于超大全无机钙钛矿单晶的可见-红外双模光电探测

可见-红外波段的双模吸收对各种光电子器件极为重要,尤其是太阳能电池和光电探测器。对于太阳能电池而言,多波段的光吸收可以充分利用太阳光谱中的可见及红外光,进而提高电池的能量转化效率;而对光电探测器而言,则可以实现双波段探测,有望改善器件的灵敏度以及提高夜视性能。然而,如何同时实现强的可见与红外光吸收和快的电荷输运能力依然是一个严峻的挑战。

近年来,钙钛矿的研究引起了越来越多科研人员的关注。钙钛矿材料具有光致发光效率高、光吸收系数大(比有机染料大10倍)、载流子迁移距离长(载流子扩散长度可达175 µm)等特性,在光电器件领域大显身手。例如,类钙钛矿太阳能电池的转化效率飞速提高,几年间就已经突破20%。此外,近来有报道证实钙钛矿材料具有多光子吸收特性,有望拓宽光吸收范围至红外波段,进而提升相关光电子器件的性能。

全无机钙钛矿(CsPbX3,X = Cl, Br, or I)因其更优的热稳定性以及光电性能成为光电材料中的“新星”。相对于其纳米晶等低维度材料来说,块体单晶将具有更优的光电性能和稳定性,然而其超大单晶的制备、光学和电学性能的系统研究仍较缺乏,限制了其在光电子器件领域的快速发展。

AOM-zenghaibo

基于这一考虑,南京理工大学的曾海波教授团队联合上海应用技术大学徐家跃教授团队与新加坡南洋理工大学孙汉东教授团队利用改良的布里奇曼(Bridgman)法制备了体积为25 cm3的超大CsPbBr3单晶块体(直径25mm,长70mm),是目前报道全无机钙钛单晶的最大尺寸。采用飞行时间(ToF)、霍尔效应测试、单载流子器件、吸收反射、双光子吸收等表征手段,系统研究了单晶的光电性能参数,发现CsPbBr3单晶展现出高达105 cm-1的可见光吸收系数,3.7 cm/GM的非线性红外双光子吸收系数,10 µm的载流子扩散长度,以及2000 cm2 V−1 s−1的载流子迁移率。

该单晶优异的双模光吸收特性在光电子器件中具有广阔的应用前景。基于以上考虑,宋继中博士等将此单晶制备成了光电探测器,并对其性能进行了详细的表征。实验结果表明,当器件的加载电压为5V时,535 nm处的响应度达到了2 A/W,远高于商业化的Si基探测器(< 0.2 A/W)。此外,在同样的5V偏压下,其红外波段的响应度为1.4 mA/W,比此前报道的MAPbBr3单晶材料高了2~3个数量级,与商业应用的Si及GaAs等双光子探测器不相上下。

该研究有望加深对全无机钙钛矿单晶光电性能的理解,进而扩宽其在发光二极管(LEDs)、太阳能电池、激光器、场效应晶体管等领域中的应用。

本工作发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201700157)上。