国家纳米中心丁黎明团队Adv. Mater.：一种电调制单色/双色成像光电探测器

【引言】

在过去的几十年里，成像技术取得了巨大的进步，从单元成像和单色焦平面阵列成像到第三代低成本、高分辨率成像和多光谱成像能力的成像技术。第三代成像技术能够处理多个波段的信号，具有更好的目标识别能力。为了发展多光谱检测，研究人员最初专注于双色检测，以及一系列已经提出了UV/UV、UV/可见光、UV/红外（IR）、可见光/ IR和IR/IR双色光电探测器。然而，目前的双色光电探测器严重依赖于合金、超晶格和多量子阱结构的外延无机半导体。为了获得高性能的双色光电探测器，克服外延生长中半导体层之间的晶格和热不匹配是一个挑战。同时，高温、高真空、复杂的制备工艺是不可避免的。到目前为止，只有IR/IR双色光电探测器由于外延条件相似，不同外延半导体层间晶格不匹配较小而得到了成功的发展。目前双色检测器的发展趋势是在不使用外部机械和光学元件的情况下将光谱选择性集成到单个光检测器像素中。因此，开发简单和经济有效的方法来制造可调谐的单色/双色光电探测器是可取的。作为外延半导体的替代品，溶液处理有机半导体已经被公认为制造高性能窄波段或多波段光电探测器的经济有效的替代品，其范围从紫外线到近红外（NIR）区域。值得注意的是，得益于一种新型非富勒烯受体（CO_i8DFIC）的窄带隙和强大的近红外吸收可与硅媲美，有机太阳能电池的功率转换效率达到了14%以上。此外，还通过将富勒烯衍生物（PC₇₁BM）、聚合物供体（PTB7-Th）和CO_i8DFIC共混形成三元异质结，制备了有机光电探测器。但有机光电探测器由于有机半导体的电荷载流子迁移率低、激子结合能高，响应速度慢。因此，结合钙钛矿材料和小分子的优点，可以在可见光和近红外波段实现高性能的双色光电探测器。

【成果简介】

近日，在国家纳米科学中心丁黎明研究员、兰州大学靳志文教授、中国科学院半导体研究所沈国震教授和吉林大学沈亮教授团队等人带领下，与哈尔滨师范大学、哈尔滨工业大学、贵州理工学院、郑州大学和中国科学技术大学合作，基于CO_i8DFIC /钙钛矿(CH₃NH₃PbBr₃)混合膜，研制了一种响应速度快的电调制单色/双色成像光电探测器。由于I型异质结，该器件可以通过施加较小的偏置电压方便地将轻松地将双色图像转换为单色图像。光电探测器在不提供任何电源的情况下，分别在≈544 nm（可见光区）和≈920 nm（近红外区）显示出两种不同的截止波长。在≈525 nm时，其两种峰值响应速率为0.16 A W⁻¹，在快速响应速率（≈10² ns）的≈860 nm时，其两种峰值响应速率分别为0.041 A W⁻¹。在0.6 V偏压下，光电探测器可以在单色模式下工作，峰值响应率在≈475 nm时为0.09 A W⁻¹，显示出快速响应速度（≈10² ns）。建立了一个基于能带能量理论的物理模型来解释可调谐单色/双色光检测的起源。这项工作将激发开发用于复杂环境下成像光电探测的溶液处理多功能光电探测器的新方法。这项工作将激发出在复杂环境下开发解决方案处理的多功能光电检测器的新方法。该成果以题为“An Electrically Modulated Single-Color/Dual-Color Imaging Photodetector”发表在了Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 光电探测器的结构

a）光电探测器的结构。

b）CO_i8DFIC的化学结构。

c）光电探测器的横截面SEM图像。

d）MAPbBr₃、CO_i8DFIC和MAPbBr₃/CO_i8DFIC薄膜的吸收光谱。

e，f）在黑暗（e）和光照（f）下，0 V时MAPbBr₃/CO_i8DFIC异质结的能带示意图。

图2 光电探测器的光电性能

a）在黑暗中和太阳模拟器（AM 1.5G，100 mW cm^-2）下光电探测器的J-V曲线。

b）光电探测器噪声电流随频率的变化。

c）光电探测器在0 V时的响应光谱。

d）光电探测器的比探测光谱（D *）。

e）自制的瞬态光响应测量系统原理图。

f）在510和850 nm脉冲激光的激发下，光探测器在0 V时的瞬态光响应。

图3 光电探测器的成像系统原理图

a）使用光电探测器作为成像像素的成像系统原理图。

b）双色（可见：左；NIR：右）成像系统在0 V时成像结。

c）成像系统在0.6 V时成像结果。

图4 光电探测器的响应度

a，c）MAPbBr₃/CO_i8DFIC双层的能带图：a）在-0.6 V下；c）在0.6 V下。

b，d）光照下光电探测器的响应度：b）在-0.6 V下；d）在0.6 V下。

图5 光电探测器的响应曲线

a，b）光照下光电探测器的响应曲线：a）反向偏压； b）正向偏压。

【小结】

综上所述，开发出了具有可转换单色/双色成像功能的解决方案处理型光电探测器。该光电探测器可以在不需要电源的情况下进行高保真的可见光/近红外双色成像。通过施加0.6 V的正向偏压，可以简单地转换为可见光单色成像模式。该光电探测器在两种工作模式下具有超快的响应速度。这项工作提供了一种利用钙钛矿和有机小分子开发可转换光电探测器的方法。

文献链接：An Electrically Modulated Single-Color/Dual-Color Imaging Photodetector（Adv. Mater.，2020，DOI:10.1002/adma.201907257）

【团队介绍】

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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