Advanced Functional Materials:基于无铅钙钛矿和碳纳米管的多功能光响应晶体管

光响应器件,包括光电探测器、太阳能电池等,是一种可捕获光信号并将其转化为电信号的器件,其在军事领域和民用领域都有着重要的意义。近年来,全无机杂化卤化铅钙钛矿因具有宽吸收波段,高光吸收率,高光敏响应度等优势,而被认为是光响应器件中的理想材料。然而,铅元素会对环境造成污染,并对生物体具有毒性。因此,开发环境友好型无铅金属卤化物钙钛矿变得尤为重要。

在无铅钙钛矿材料中,铋基钙钛矿材料相比常见的锡基、锗基钙钛矿材料具有优异的长期稳定性,但由于其较低的导电性,性能仍无法与含铅钙钛矿材料相媲美。同济大学材料科学与工程学院黄佳教授课题组针对这一问题,进行了深入而细致的研究,将无铅钙钛矿材料CsBi3I10与单壁碳纳米管SWCNTs进行复合,从而得到了可栅压调控且具有高光响应度的光响应晶体管。此外,对该器件生物突触模拟的应用也进行了探究。这是首次关于具有光电探测和光刺激突触双功能的无铅铋基钙钛矿复合晶体管的报道,相关结果发表在Advanced Functional Materials上(       DOI:10.1002/adfm.201906335)。

SWCNTs促进了光生载流子的解离并加速了其传输,从而显著增强了复合器件的光电性能,复合器件具有极高的光响应度(R)6.0×104 A/W、光探测率(D)2.46×1014 jones,这是目前基于无铅钙钛矿的光电探测器的最优结果之一。此外,在光脉冲激励下该器件可模拟神经突触的兴奋性突触后电流、双脉冲易化、经验式学习行为等。此外器件具有优异的长期稳定性和较低的能量消耗。

这一工作为无铅钙钛矿材料CsBi3I10的现状和潜力提供了有价值的指示, 为无铅高性能无铅钙钛矿的发展提供了思路。

CsBi3I10/SWCNTs光响应器件的(a)结构示意图。插图为CsBi3I10钙钛矿薄膜晶体结构示意图、(b) 在黑暗条件下的输出特性曲线、(c) R和D值时随光强的变化(VG =-20V)。(d) 生物突触和神经递质传递图解。 (e) CsBi3I10/SWCNTs 的双脉冲易化模拟、(f) 学习行为模拟。