Advanced Science:基于梯度架构二维/三维钙钛矿薄膜构建高灵敏光电探测器

近年,钙钛矿材料因为它们独特的光电性质,在光电领域中引起了广泛的关注和研究,例如太阳能电池、发光二极管、以及光电探测器。然而,传统的三维钙钛矿对水分和氧气非常敏感,限制了其进一步的发展。二维钙钛矿的无机间隔阳离子可型成保护层阻止外界环境的侵蚀,但其较大的无机组分也使得它们的光电性能远低于三维钙钛矿。基于二维钙钛矿的可调控性,生成准二维或二维/三维的钙钛矿异质结来制备器件,成为现时提升二维钙钛矿光探测器性能的主要手段之一。

香港理工大学严锋教授课题组针对这一现况,基于优化的热涂布技术,以 (PEA)2MAn-1PbnI3n+1 前驱溶液制备出二维/三维钙钛矿薄膜,并以此实现了带有垂直异质结的高性能光电探测器。该工作通过XRD、Absorption、PL、和FIB-TEM表征,证实了在合适的化学计量比下,由于PEAI和MAI间溶解度的差异,能以热涂布诱发二维钙钛矿PEA2PbI4优先沉积,沿着基底从下而上形成二维/三维钙钛矿异质结。研究者进一步以此垂直异质结构建光电晶体管,并在靠近基底的钙钛矿薄膜中获得了p-型通道。结果表明,得益于垂直异质结中连续变化的梯度架构能带隙,电洞将自发性从三维钙钛矿层注入靠近基底的二维钙钛矿层,同时电子将从反方向注入靠近薄膜表面的三维钙钛矿层。当此异质结应用于光电探测器时,自发性光致电荷分离效应能有效抑制光致电荷的复合。此外,这项工作实现的垂直异质结有着较高的载流子寿命和电荷密度,能使其获得相较于纯二维和三维钙钛矿器件都更为优胜的比探测率 (2 × 1012 Jones) 和响应度 (149 AW-1),为现时二维钙钛矿器件急待解决的光电性能问题作出了显着突破。相关论文在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202000776)上。