Nature Electronics:钙钛矿单晶纳米线构建超高灵敏度光电探测器

第一作者:凤建岗、龚成

通讯作者:吴雨辰、张翔、付红兵

通讯单位:中科院理化所、加州大学伯克利分校、天津大学

研究亮点:

1.发现二维钙钛矿单晶纳米线优异的边缘态光电导。

2.基于此制备了超高灵敏度的光电探测器。

有机-无机钙钛矿材料具有优异的光电性质,已实现高效率太阳能电池和发光二极管的制备。钙钛矿具备较高的载流子迁移率、较长的寿命和扩散距离,因而也是一类较为理想的光电探测器材料。然而,三维钙钛矿暗电流偏大制约了其光电探测器的信噪比,使其发展受到限制。基于多晶薄膜的光电二极管检测器,虽可以抑制暗电流,但无法实现较大的光电导增益,因而器件灵敏度也不理想。

有鉴于此,中科院理化所吴雨辰博士、江雷院士课题组,与天津大学付红兵教授团队、加州大学伯克利分校张翔院士团队合作,首次发现二维钙钛矿纳米线的边缘态光电导效应,并实现了目前世界最高灵敏度的钙钛矿光电探测器。

图1. 二维钙钛矿单晶纳米线阵列边缘态光电导机理

研究人员通过不对称浸润界面,控制二维钙钛矿的晶体生长。通过电子衍射、同步辐射掠入射X射线散射发现,制备得到的纳米线取向单一,导电的少层钙钛矿和丁胺基离子层层组装,形成超晶格结构。通过测量不同高度纳米线的荧光和光电导发现,钙钛矿层的边缘能够有效的分裂激子,产生并传导自由载流子,从而实现了优异的光电导。基于此纳米线制备的光电探测器,实现了104 A/W以上的响应度和7×1015Jones以上的探测度,是目前世界上最灵敏的钙钛矿光电探测器,比传统的硅光电二极管性能高出2-3个数量级。

图2. 结构和光谱表征证明二维钙钛矿纳米线边缘态

图3. 基于二维钙钛矿纳米线的超高灵敏度光电探测器

图4. 飞秒瞬态吸收证明二维钙钛矿能量转移

总之,本文首次发现二维钙钛矿单晶纳米线优异的边缘态光电导,并证实其对光电探测性能的巨大提升,为高性能光电器件的探索指出一条新的道路。

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