光电探测器进军高带宽时代

材料牛注：传统的光电探测器受限于特定狭频带宽内的光源，俄罗斯莫斯科物理技术学院（MIPT）的科学家Vadim Agafonov带领他的跨国团队经过不懈努力，探索出探测器加工中的紫外线处理方法，实现了在带宽限制方面上的突破。

紫外线辐射下氧的去吸附。来源：MIPT Press Office

光电探测器广泛应用于智能手机、空间站等领域的系统和设备中，但传统的光电探测器仅对特定狭频带宽内的光源敏感，这就给产品开发者带来了诸多困扰。MIPT的科学家与中国和沙特阿拉伯的同行一道探索出了解决方案。研究人员在Advanced Functional Materials上发表的文章指出，紫外线处理可将传统的光电探测器转变为高带宽设备。

大量光电探测器由于宽范围频率敏感度的要求，极难设计。这主要是因为能够通过紫外线的衬底往往不能通过红外线，反之亦然。MIPT的分子电子学中心主管，论文作者之一的Vadim Agafonov说道：“我们发现了一种扩大光电探测器光谱响应的方法。”

由Vadim Agafonov和中国科学院长春应用化学研究所、沙特阿拉伯国王大学的科学家共同组建的研究团队基于器件内部的光电效应，对聚合物光电探测器进了研究。光源可以通过影响聚合物内部电子的重新分布从而改变导电率。有机材料的光电探测器相较于普通无机材料具有许多优点，包括低成本，易加工和良好的物理延展性。结果表明设备中的紫外线辐射通过影响表面的特定元素，达到改变材料敏感性的效果。

研究人员进行了一项试验，试验中将以聚合物基体的光电探测器渗入氧化锌粒子并进行紫外线处理30秒。结果表明，试验获得的高性能光电探测器拓宽了光谱响应，且对比于紫外线处理之前30%的最大外部量子效率（EQE），处理后的光电探测器EQE可以达到140000%。EQE作为光电探测器重要的品质因数可以定义为“脱落”电子数与入射光子的比值。从这个角度分析，紫外线处理之前十个光子入射仅能产生三个电子，而在紫外线处理之后相同入射光子数却能产生14000个光电子。但是，即使在没有光子进入光电探测器时，探测器内部暗电流的增加却会导致噪音量变大。

研究人员认为紫外线对于探测器的奇妙影响在于使氧原子从氧化锌粒子中分离。在光电探测器的制造过程中，氧分子被半导体粒子表面所吸收，即氧气从导带上捕获电子，导致被捕获的电子不再是电荷载体。这也说明表层氧化锌已经成为电子传递的障碍。

氧化锌吸收紫外线辐射，部分价电子受到激发跃迁到导带上。导带上的自由电子可以重新作为电荷载体，且在偏置电压0.5V作用下，甚至可以产生最小可测量光功率强度，可以达到60pW/cm²。

Vadim Agafonov说道：“你可以将一个聚合物光电探测器转换成一个高度敏感的宽带设备，且处理过程迅速、廉价、高效，这在实际运用中极为重要。”

从论文中可以看出，在电子探测器生产过程中仅进行一次紫外线处理，就可以达到拓宽光谱响应的效果。不仅如此，由于半导体表面的密封铝层隔绝氧气，因此能够保证器件在加工结束后，新特性仍保持不变。

研究人员希望在不改变器件优越性能和宽光谱范围的前提下，尽量消除紫外线辐射探测器后产生的副作用（例如：暗电流的激增）。光电探测器的紫外线处理方式可以运用到成像、大气遥感等各个领域。

原文链接：UV Light Improves Smartphone Cameras。

文献链接：Ultrahigh Gain Polymer Photodetectors with Spectral Response from UV to Near-Infrared Using ZnO Nanoparticles as Anode Interfacial Layer。

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，马秋晨编译，薛文嘉审核，点我加入材料人编辑部。