Adv. Mater.：钙钛矿硅酸盐复合纳米片用于近红外混合波导光电探测器

【引言】

近年来，甲胺卤化物钙钛矿由于其出色的光电特性，吸引了广泛关注。迄今为止，人们利用钙钛矿制备了很多先进器件，例如太阳能电池，发光二极管，激光等人们也用钙钛矿材料制备了光电探测器，然而受限于钙钛矿固有的带隙在1.5eV左右，制备的探测器仅能探测可见光波段。而红外波段的探测对于红外影像，信息通讯等领域都有着广泛应用。

【成果简介】

湖南大学的潘安练教授（通讯作者）课题组制备了一种镱化铒硅酸盐单晶纳米片，可以作为波导空腔，在红外光照射下产生可见光，与高质量的钙钛矿薄膜复合，制备了钙钛矿-镱化铒硅酸盐单晶纳米片混合波导光电探测器。由于镱化铒硅酸盐单晶纳米片高效的能量转化效率，探测器对于波长在1.54um左右的通讯信号有着很强的光相应。并且响应时间短，仅为硅基光电探测器的1/5。由于其较好的光电特性以及低成本，易于制备的特点，是一种理想的光电探测器的候选材料。

【图文导读】

图1：镱化铒硅酸盐单晶纳米片和钙钛矿薄膜的形貌与结构

(a)(b) 镱化铒硅酸盐单晶纳米片的SEM和TEM形貌图

(c)  (b)图中所示区域的高倍透射电镜晶格图像

(d)(e)钙钛矿-镱化铒硅酸盐单晶纳米片混合波导光电探测器的横截面与俯视SEM图片

(f)镱化铒硅酸盐单晶纳米片, 钙钛矿和钙钛矿-镱化铒硅酸盐单晶纳米片混合波导光电探测器的XRD图像

图2：钙钛矿-镱化铒硅酸盐单晶纳米片中的辐射能量转移

(a)   钙钛矿薄膜的吸收和发射光谱

(b)  能级图和能量转移示意图

(c)   原始镱化铒硅酸盐单晶纳米片和钙钛矿-镱化铒硅酸盐单晶纳米片混合物的发射光谱。800nm处的发射峰增强了30倍左右。右上角的图片显示了可见图像。

图3：镱化铒硅酸盐单晶纳米片和钙钛矿-镱化铒硅酸盐单晶纳米片混合物空间分辨光谱

(a)   检测原始镱化铒硅酸盐单晶纳米片的光波导平台原理示意图。

(b)  随着传播距离增加，发射峰强度变化图像。

(c)   原始镱化铒硅酸盐单晶纳米片随传播距离增加，发射强度与原始强度的比值变化图。

(d)  检测钙钛矿-镱化铒硅酸盐单晶纳米片混合物的光波导平台原理示意图。

(e)   覆盖了钙钛矿薄膜的镱化铒硅酸盐单晶纳米片发射强度随传播距离变化图。

(f)    混合物随传播距离增加，发射强度与原始强度的比值变化图。

(g)  镱化铒硅酸盐单晶纳米片波导空腔与钙钛矿相互作用的详细结构图。

(h)   传导模在550nm时，横截面场强度模拟分布示意图。

图4：钙钛矿-镱化铒硅酸盐单晶纳米片混合物的光响应示意图

(a)   器件的原理图。

(b)  原始钙钛矿和钙钛矿-镱化铒硅酸盐单晶纳米片混合物在黑暗和1530nm光激发下的I-V曲线。

(c)   不同功率密度下光电流和漏电压关系图。

(d)  1V的电压下，探测器光电流随能量密度变化图。

(e)   不同功率密度下的响应和量子效率图。

(f)    0.14W/cm²功率密度下，激发波长变化而导致的I-V曲线变化图。

(g)  V=1V时，光电流随激发波长变化图。

(h)   功率密度为0.14W/cm²时，响应率和量子效率随入射波长变化图。

(i)     功率密度为0.14W/cm²时，响应率和量子效率随偏压变化图。

图5：混合光探测器的开关特性

(a)   探测器在黑暗和1530nm光照激发下的开关特性

(b)  (c)为偏压1V，能量密度0.14W/cm²下的开启和关闭时间。

【小结】

作者创造性的将镱化铒硅酸盐单晶纳米片波导空腔和高质量的甲胺卤化铅钙钛矿薄膜结合，第一次实现了基于钙钛矿的近红外光电探测器。通过结合两种材料的优势，探测器具有着非常高的光响应能力和很短的反应时间，另外由于其成本低，易于制备的特性，使其相对于硅基探测器有着明显的优势。这种材料在未来的光探测器件上有着非常广阔的应用前景。

文献链接：Perovskite–Erbium Silicate Nanosheet Hybrid Waveguide Photodetectors at the Near-Infrared Telecommunication Band (Adv. Mater.,2017,DOI: 10.1002/adma.201604431)

本文由材料人编辑部纳米小组gyzdxhzy整理编译，点我加入材料人编辑部。

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