Small: 基于碘化铅的高性能光电探测器

光电探测器在光电系统中扮演了十分重要的角色,它就像光电系统的“眼睛”,可以对外部光信号进行测量,并将其转变为电信号用于后续信息处理。作为光电系统中最重要的组分之一,光电探测器已被广泛应用于射线探测,导弹制导,红外热成像和红外遥感通讯中。近年来,各类电子器件在摩尔定律的驱使下不断高度集成,其特征尺寸接近几纳米,这使得开发与之兼容的微纳光电探测器和构建高度集成的光电探测系统变得至关重要。

图.(a)碘化铅制备示意图(b)碘化铅的AFM图(c)光探测器示意图(d)不同功率光照下的光响应图

由于二维材料具有原子级厚度,带隙可调和表面无悬挂键等性质,它们作为光活性材料被广泛应用于光电探测器的相关研究中。研究发现,高质量的二维材料常通过机械剥离,化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)的方法获得。虽然机械剥离法可生产出极高质量的二维材料,但受到其尺寸和效率的限制,并且该过程需要操作人员丰富的经验。CVD和PVD具有大规模制备高质量二维材料的能力,然而,它需要相对复杂的设备和高达几百摄氏度的生长温度。这些因素使得基于二维材料的光电探测器制备复杂,成本高昂,难以实现在军事和民用中的实际应用。

为解决上述问题,浙大信电学院徐明生教授及其研究团队巧妙地设计了一种接近室温的溶液法,成功合成了二维碘化铅(PbI2)材料并对它的特性进行了详细阐述,进一步地利用原子级平整的碘化铅加工出了高性能的光电探测器。据表征,利用溶液法合成的碘化铅材料具备高晶体质量,高均一性以及原子级平整的表面。测试表明,基于该二维碘化铅的光电探测器具有~1 nA的超低暗电流,响应时间达14.1 ms,探测度为4.5×1010 Jones,响应度为0.51 AW-1。运用溶液法合成二维碘化铅,在大幅度简化材料合成过程,降低材料合成成本的同时,又实现了光电探测性能的显著提升。研究者相信,此项研究将会为光电探测器的实际应用提供新的思路,同时为二维材料在光电探测领域的发展应用书写崭新的一笔。

该研究得到国家自然科学基金,第14届中日科技合作项目以及浙江大学硅材料国家重点实验室等的资助,相关成果发表于期刊Small上