Small:基于热释电光电子学和压电光电子学耦合效应的宽谱、自驱动光电探测器

研究背景

近年来,MAPbI3等金属卤化物钙钛矿以高吸收系数、低缺陷密度、高迁移率等优点成为构筑光电探测器的理想材料,并取得了一定的进展。但是,卤化物钙钛矿相对较宽的带隙使得超过1000 nm的光谱响应受到了限制。为了将光谱响应范围扩展到近红外区域,通常与另一种红外吸收材料复合或使用锡代替铅,但存在材料稳定性差等不足。另外钙钛矿型光电探测器通常需要外加偏压才能工作,这增加了器件的成本和复杂性。因此,开展具有快速、高灵敏度、自驱动的金属卤化物钙钛矿基宽谱光电探测器具有重要意义。

文章概述

近日,河北大学杨政博士等采用空间受限缓慢加热法制备了基于MAPbI3单晶薄膜/n-Si异质结的光电探测器件。首先,利用MAPbI3单晶的热释电光电子学效应,MAPbI3/Si异质结光电探测器实现了从紫外(360 nm)到近红外(1550 nm)的自驱动、宽谱光电探测。相比基于光伏电流的响应度,基于热释电光电子效应的光响应度提高了20倍以上。这归因于光诱导的热释电荷可以有效调控界面处的电场分布,从而增强了光电流、拓宽了光谱响应范围、加快了响应和恢复速度。其次,进一步通过施加垂直压力引入了压电光电子学效应,当垂直压力为155 kPa时,响应度进一步增加了120%。器件性能的整体增强归因于压电光电子学和热释电光电子学协同耦合效应,即利用极化电荷调制异质结的能带结构,从而促进载流子的输运过程。这为利用压电光电子学效应和热释电光电子学效应开发高性能自驱动宽带钙钛矿光电探测器的开发提供了一种有效方法。

图文导读

图1:MAPbI3/Si异质结自驱动光电探测器的(a)结构、(b)断面SEM图、(d)360、450、671、780、1064和1550 nm激光照射下的I-t变化曲线和(e)在开关光情况下温度变化导致的热释电光学子学效应工作机理图;(c) MAPbI3单晶薄膜顶视图。
图2:MAPbI3/Si异质结光电探测器施加垂直应力的(a)装置、(b)在780 nm(6.37 mW/cm2)激光照射、不同应力下的光开关响应和(c)相应的电流和响应度变化曲线;(d)热释电光电子学和压电光电子学耦合效应增强光电性能的机理图。

该项目研究得到了国家重点研发计划(2016YFA0202703)、国家自然科学基金(62005072,51972094,51622205,61675027,51432005, 61505010,51502018)、河北省自然科学基金(E2020201025)等项目的支持,谨此感谢。

论文信息:

A Self-Powered Photodetector Based on MAPbI3 Single-Crystal film/n-Si herejunction with Broadband Response enhanced by Pyro-Phototronic and Piezo-Phototronic Effects

Zheng Yang, Huan Wang, Linjuan Guo*, Qing Zhou, Yansong Gu, Fangtao Li, Shuang Qiao, Caofeng Pan*, Shufang Wang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101572

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202101572