多物理耦合实现超灵敏柔性宽带光探测器

宽带光探测器件在现代科学和技术领域中的谱学、成像和传感等方面具有重要应用。然而,传统的器件通常具有较高的噪声电流,从而降低了器件的灵敏性和探测性。利用光子操控方法在深亚波长尺度增强光-物质相互作用无疑是一项行之有效又极具挑战的策略,可同时实现极低的噪音水平和较高的光敏性。利用金纳米晶作为等离激元天线耦合钙钛矿半导体薄膜可产生多物理协同效应,两者之间具有远场和近场相互作用,从而获得增强的光吸收和光电转换,最终实现超灵敏柔性宽带光探测器。

兰州大学物理科学与技术学院彭应全教授课题组研究人员采用传统的真空热蒸镀技术制备尺寸可控的金纳米晶(AuNCs),并与有机铅卤化物钙钛矿(MAPbI3-xClx)构筑异质结薄膜,制备了UV-Vis-NIR柔性宽带光探测器。该结构刻画了金纳米晶修饰的金属-半导体-金属(MSM)光电导构型:柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为器件衬底;AuNCs作为等离激元激发中心,其原理如图所示,可用作光学天线进行能量转换;有机-无机杂化钙钛矿作为光电导活性层。该平面光电导器件具有制备工艺简单、活性材料易得、可大面积制备和图案化集成等优点,对于实际应用具有较大潜力。

进一步对制备的光电导器件进行表征,测试表明,实验器件和参考器件在暗态条件下,均保持了皮安级的暗电流(图1a),说明活性薄膜暗态下电导率极低,可以近似认为是不导电的。然而,令人兴奋的是器件在光照条件下获得了微安级的光电流;通过对比发现,实验器件光照电阻比暗态电阻降低了6 个数量级(图1b),说明薄膜光电导显著增加。同时,测试结果表明,AuNCs的引入,促进了活性层光-物质相互作用,导致实验器件获得皮瓦级弱光探测能力(图1c)和紫外-近红外宽带光探测特性(图1d)。所以,这个结构设计可作为功能性平台用于指导超灵敏柔性宽带光探测器实现。

图1:Perovskite和AuNCs/Perovskite器件的光电特性表征。a) 暗态I-V曲线对比;b) AuNCs/Perovskite器件光照条件下的I-V特性;c) 弱光探测特性对比;d) AuNCs/Perovskite器件宽带光探测特性。

研究人员相信,此项研究将会为金属纳米材料增强的光电器件研究打开一扇窗户,可将设计思路延伸至其他纳米金属-半导体框架结构中实现高效的光电转换。相关论文以Communication形式在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201800996)上。