Nano Lett.：进行油酸钝化处理，单晶CH3NH3PbI3纳米线光电探测力MAX

【引言】

光电探测器可将光信号转换为电流或电压输出，这一特性使其在成像、传感和光谱等领域被广泛应用。钙钛矿型光电探测器在溶液法制备半导体过程中因其复合损失非常少，因此具备高灵敏和快速响应的特性。

钙钛矿CH₃NH₃PbI₃具有适当的带隙、高光吸收系数、长电子空穴扩散长度、良好的缺陷物理特性及低成本的溶液法制备使其成为光电探测器领域的新兴材料。而在众多CH₃NH₃PbI₃的形态（薄膜、单晶、纳米线）中，单晶CH₃NH₃PbI₃纳米线在光电探测中更胜一筹，因其晶界数减少、性能呈各向异性，同时还具有很好的机械柔性。但对CH₃NH₃PbI₃纳米线光电探测器来说，随之而来的缺点便是其大的表面会催化载流子复合和材料的分解，进而显著影响设备的性能及稳定性。

【成果简介】

华中科技大学唐江教授（通讯作者）等人通过引入油酸，对CH₃NH₃PbI₃纳米线表面进行钝化，从而很好的提高了设备的稳定性，并进一步提高了灵敏性（探测力达到210¹³ Jones）。并利用一维几何学，首次展现了CH₃NH₃PbI₃纳米线光电探测器线性二向色性的光电探测。

【图文导读】

图一、CH₃NH₃PbI₃纳米线的表征

(a) CH₃NH₃PbI₃纳米线阵列的俯视图

(b)单个CH₃NH₃PbI₃纳米线的AFM图，内嵌图为CH₃NH₃PbI₃纳米线横截面的SEM图

(c) CH₃NH₃PbI₃纳米线的HRTEM图，内嵌图为局部低倍TEM图

(d) CH₃NH₃PbI₃纳米线的SAED图

(e) CH₃NH₃PbI₃纳米线的XRD图谱

(f) CH₃NH₃PbI₃纳米线的吸收和PL光谱图

图二、CNPD结构及不同钝化处理对CNPD性能的影响

(a) CNPD设备结构图示

(b) CNPDs在由LED产生的530nm单色光下产生的亮暗电流-电压（I-V）曲线。光强密度为236 mW cm^-2

(c-e) 经过不同后处理后，CNPDs的瞬时光电响应，以比较确定出最佳钝化处理。后处理方式分别为氧等离子体辐射（OP），CH₃NH₃I IPA浸润（MAI）和油酸甲苯浸润（OA）。测试条件为530 nm单色光，2.36 mV cm^-2，10 s一循环。

(f) 比较不同后处理的CNPDs设备储存稳定性。老化条件：~20，~50% 湿度，设备未封装

图三、分析OA后处理对CH₃NH₃PbI₃纳米线的有利影响

(a-b) 分别在同等测试条件下对可控和OA处理的CH₃NH₃PbI₃纳米线进行PL强度和瞬时衰变的比较。励磁功率为50 mW，光波长780 nm。

(c-d) 分别对可控和OA处理的CH₃NH₃PbI₃纳米线进行空间电荷限制测试。红线和绿线分别为线性和二次型I-V曲线。

图四、OA钝化的CNPD光电性能

(a) 与波长相关的光电流和响应率。偏差1 V，光源为溴钨丝灯，通过光栅调制产生10 nm最小步距的单色光。

(b) CNPD的瞬时响应（I-t曲线）。30 ms一循环，采样间隔为1 ms。

(c) 在不同频率下测试电流噪声。蓝色虚线为已报道的钙钛矿薄膜基光电探测器的测量值。红色虚线为散射噪声限。

(d) 光强度-响应率/探测率。偏差为1 V。光强度在6个数量级间变化，发射波长为530 nm。

图五、OA处理的CNPD线性二向色性光电探测

(a) 在有限不同的时间域（FDTD）内进行钙钛矿纳米线偏振光模拟图示

(b) 当偏振光的方向平行或垂直于纳米线轴向时，计算CH₃NH₃PbI₃纳米线的吸收系数。

(c) 测试CNPD偏振敏感性的装置图

(d) 偏振角-CNPD的标准光电流

【小结】

通过一步自组装的方法，成功合成单晶CH₃NH₃PbI₃纳米线。并对CH₃NH₃PbI₃纳米线进行不同的后处理方式，发现利用油酸（OA）钝化处理，可加倍增加光电流，显著提高设备的稳定性、响应率和探测力。利用CH₃NH₃PbI₃纳米线的各向异性，首次发现强偏振决定了CNPD的光探测力，提高了有机-无机杂化钙钛矿光电探测器的潜在应用。

文献链接：Passivated Single-Crystalline CH₃NH₃PbI₃ Nanowire Photodetector with High Detectivity and Polarization Sensitivity（NANO Letters，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b03119）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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