天大姚建铨院士JMCC：基于MAPbI3 /PEDOT:PSS复合材料的快速、自驱动、室温运转的近红外-太赫兹光电探测器
文章作者：Yifan Li, Yating Zhang, Tengteng Li, Xin Tang, Mengyao Li, Zhiliang Chen, Qingyan Li, Quan Sheng, Wei Shi and Jianquan Yao
文献链接：Journal of Materials Chemistry C 2020年DOI: 10.1039/D0TC02399J
研究背景
由单一器件构成的近红外-太赫兹（NIR-THz）宽谱光电探测器在成像，遥感，通信和光谱学等诸多领域具有潜在的应用价值。特别是随着太赫兹技术的不断发展，空间网络通信和生物医学成像等领域迫切需要具有自驱动、快速响应和室温运转性能的太赫兹探测器。然而，现有的商用探测器（如bolometer, Golay cells, Schottky diodes等）很难满足要求。近年来，随着新型半导体材料的发展，基于塞贝克效应的光热电(PTE)探测器，由于其结构简单、自供电、低功耗和室温操作等优点，在宽带检测中显示出了潜在的应用前景，成为NIR-THz波段检测的优秀候选者。
一般来说，对于提高PTE器件整体响应的塞贝克系数最有效的策略是用两种不同的材料构建异质结。近年来，有科研小组证明钙钛矿材料不仅具有优异的光电特性，还是一种极具潜力的热电材料，具有较大的赛贝克系数和较低的热导。同时，PEDOT:PSS热电器件因其高热电性能（其最高的赛贝克系数可达436 μV/K，电导可达104 S/m）、简单和柔性的制备工艺等特性而受到越来越多的关注。因此，将这两种高热电性能的材料有机的结合在一起能够制备出具有高性能的热电探测器并有效地应用于NIR-THz波段检测。
成果简介
近日，天津大学姚建铨院士、张雅婷副教授、李依凡博士课题组提出利用MAPbI3 /PEDOT:PSS复合材料制备了具有快响应的自驱动室温运转的光电器件，实现了NIR-THz宽光谱探测。通过MAPbI3 /PEDOT:PSS复合材料的设计，增强了光热电系统的赛贝克系数提高了器件的整体响应度，同时利用MAPbI3 /PEDOT:PSS复合材料特性实现了快响应探测，响应时间可达28 μs。该器件的研究为高性能、快速、自驱动、室温运转的近红外-太赫兹宽谱探测器的研制提供了新的途径。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry C 2020年DOI: 10.1039/D0TC02399J。
较低的响应度和超慢的响应速度是制约自驱动太赫兹光电探测器广泛应用的关键因素，同时室温运转的困难也是不容忽视的一个问题。为解决此难点，团队通过MAPbI3 /PEDOT:PSS复合材料构建异质结的设计，增强器件整体的赛贝克系数，同时提升器件的光电性能转化能力。通过赛贝克系数测试结果显示，MAPbI3 /PEDOT:PSS复合材料制备的器件赛贝克系数值最高达到525 μV/K, 比单纯的MAPbI3 器件高出一个数量级。同时，从太赫兹波段的吸收光谱来看，MAPbI3 /PEDOT:PSS器件吸收率要比单纯的MAPbI3 器件高。
电流-电压（I-V）特性实验显示，MAPbI3 /PEDOT:PSS复合材料器件在正负5 mV范围内展示出典型的赛贝克效应I-V特性曲线。由于异质结和器件不同材料能级差，导致器件在无光照条件下形成内建电场，I-V曲线不过零点。通过分析表明内建电场方向与赛贝克效应所产生的电场方向相反。光电特性曲线显示， MAPbI3 /PEDOT:PSS复合材料器件在1064 nm和 2.52 THz波长范围内的多波段激光辐照下展示出稳定且可重复的光开关特性，随着辐照光波长的增加，光响应度降低。同时，在零偏压下表现出快的响应速度为28 μs @1064 nm。
在此基础上，利用光热电理论模型以及温度/光电流变化曲线充分证明了该器件的光热电效应机制。
这项工作表明，MAPbI3 /PEDOT:PSS器件是构建快响应、自驱动、室温运转的近红外-太赫兹宽带探测器有潜力的候选材料，为未来自驱动室温运转的宽带、高灵敏度新型光电探测器研究提供理论基础和技术支撑。
该工作近期以“A Fast Response, Self-Powered and Room Temperature Near
Infrared-Terahertz Photodetector Based on MAPbI3 /PEDOT:PSS Composite”为题发表在期刊Journal of Materials Chemistry C（DOI: 10.1039/D0TC02399J）上，文章第一作者为博士研究生李依凡，通讯作者为张雅婷副教授，姚建铨教授。
相关工作得到国家自然科学基金（61675147, 61605141, 61735010, 91838301）国家重点研发项目（2017YFA0700202）和深圳市基础研究项目（JCYJ20170412154447469）天津大学北洋青年教师项目（No. 2019XRG-0056）等项目的资助。
图文导读
图1 MAPbI3 /PEDOT:PSS材料表征
图2 MAPbI3 /PEDOT:PSS器件I-V特性曲线特性
图3 MAPbI3 /PEDOT:PSS器件近红外-太赫兹光电响应
图4 MAPbI3 /PEDOT:PSS器件近红外-太赫兹光热电理论机制分析
图5 MAPbI3 /PEDOT:PSS器件响应时间测试
作者团队介绍：
姚建铨院士、张雅婷副教授团队由姚建铨院士和张雅婷副教授以及若干博士生和硕士生所组成，属于天津大学精密仪器与光电子工程学院的激光与光子学研究所中的一支科研力量。
近年来致力于光电器件的研究工作，研究的器件包括光电探测器、太赫兹探测器、光电存储器等。相关领域共发表学术论文90余篇，SCI收录70余篇（近5年论文50余篇，其中一区论文17篇。其中一篇篇论文于2017发表在ACS Photonics上，当年被该杂志评为亚洲地区高被引论文榜第5位，2019被SCI评为高被引论文。
相关领域的其他论文还有：
1. Journal of Physical Chemistry Letters, 2020, 11(3):767-774, 10.1021/acs.jpclett.9b03409
2. Journal of Materials Chemistry, 2020, 8(6):2178-2185,10.1039/c9tc06230k
3. Photonics Research, 2020, 8(3):368-374,10.1364/PRJ.380249
4. Photonics Research, 2020, Accepted,
5. Carbon, 2020, 163:34-42, 10.1016/j.carbon.2020.03.019
6. Photonics Research, 2019, 7(2):149-154, 10.1364/PRJ.7.000149
7. Nanoscale, 2019, 11(12):5746-5753, 10.1039/c9nr00675c
8. Advanced Optical Materials, 2018, 6(21):1800639, 10.1002/adom.201800639
9. Advanced Optical Materials, 2017, 5(2):1600434, 10.1002/adom.201600434
10. Journal of Physical Chemistry Letters, 2017, 8(2):445-451, 10.1021/acs.jpclett.6b02423
11. ACS Photonics, 2017, 4(3):584-592, 10.1021/acsphotonics.6b00896
12. ACS Photonics, 2017, 4(4):950- 956, 10.1021/acsphotonics.6b01049
13. ACS Applied Materials and Interfaces, 2017, 9 37: 32001-32007, 10.1021/acsami.7b06629
14. ACS Photonics, 2017, 4(9):2220-2227, 10.1021/acsphotonics.7b00416
15. Advanced Optical Materials, 2017, 5(24):1700565, 10.1002/adom.201700565
16. Journal of Materials Chemistry C, 2016, 4(7):1420-1424, 10.1039/c5tc04007h
本文由天津大学精密仪器与光电子工程学院姚建铨院士团队供稿。
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