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莫尔钙钛矿光电探测器高灵敏偏振成像

近期,中国科学院化学研究所宋延林研究员(点击查看介绍)、李明珠研究员(点击查看介绍)团队在“高性能结构化钙钛矿光电器件”的研究中取得重要进展,他们使用低成本的DVD作为模板使用纳米压印技术,首次制备了一种莫尔钙钛矿光电探测器,通过增强光捕获和提高结晶质量,有效提高了器件性能,并实现了偏振成像应用,为制备新型高性能的光电探测器提供了新的研究思路。该研究成果发表在国际知名期刊《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)杂志上。


莫尔条纹在生活中十分常见。将两个相同周期结构叠加,并且相对旋转一定角度时,人们可以看到明暗交替的条纹,即莫尔条纹。周期越大,条纹看起来越稀疏;周期越小,就越密集。莫尔结构在日常生活中具有广泛的应用,仔细观察,我们可以发现,在建筑、园艺设计、纺织工艺、工程计量等方面几乎都可以看到莫尔条纹的身影。在科学研究中,魔角石墨烯打开了非常规超导体研究的大门,也将二维莫尔超晶格推向了前沿研究的制高点。

图1. 莫尔条纹示意图


光的偏振是电磁波的一种基本属性,偏振光的应用十分悠久,比如天文上应用偏振测量和遥感探测,至今已有一百多年的历史,在摄影、汽车车灯、望远镜、偏振显微镜等方面偏振光也有独特的应用。偏振光数字成像,直接将图像信号转化为数字信号,在图像转换、传输和存储等方面均具有良好的应用前景。偏振光成像可以在复杂的背景中检测出有用的信息,比如军事上对隐身目标进行识别,在医学上可以检测癌细胞组织。偏振成像相对于传统的成像方式,除了图像信息,还能够得到多维度的偏振信息。但是当前所用的偏振光成像探测器通常结构复杂并且需要额外的偏振片来实现成像功能,装置成本高且占用空间,所以偏振成像探测器趋向于发展小型化和集成化。


光电探测器是一种将光信号转化为电信号的装置,在微弱光探测、数字成像、柔性器件制备等方面都有广泛的应用。有机-无机杂化钙钛矿由于其优异的光电特性,使其在新型光电探测器制备中具有独特的优势。然而,由于高折射率钙钛矿表面的反射和部分入射光到基底的透射,入射到光电探测器上的光仍会有损失,从而影响光的利用率和器件的性能。利用微纳光学结构进行光管理,为增强光吸收提供了一种有效的策略。目前,许多光学结构(光栅、光子晶体、回廊腔结构等)已经被用于制备高性能的光电器件。但是,上述的光学结构通常是单层结构,进一步提高光的吸收通常需要增加结构深度,但这又会增加活性层自身的损耗,使得整体的光利用效率不高。复合光学结构,是一种更为有效的方式来捕获入射光。多层浅的光学结构能够在保证高效率光富集的同时,减少活性层本身的损耗,以此来有效地提高装置性能。


受莫尔晶格结构的启发,化学所研究团队利用纳米压印技术,使用低成本的DVD光盘,将双层光栅光学结构(上下层光栅呈现一定夹角)引入MAPbI3钙钛矿活性层中,制备了高性能的偏振敏感钙钛矿光电探测器。从实验和理论证明,制备的相互堆叠双光栅结构实现了对入射光的调控,光子被局域在钙钛矿活性层中,实现了对光的高效吸收。优异的器件探测性能来自于双光栅结构良好的光学和电学特性。在光学特性方面,顶部光栅可以减少光反射损失,底部光栅可以增强光反射吸收,同时光栅结构具有衍射效果,钙钛矿与空气的高折射率差产生波导效应,以上光学协同作用可以有效提升光程与光吸收,产生更多的载流子。充分印证了莫尔结构“1+1>2”的特性。在电学特性方面,使用纳米压印技术,提高了钙钛矿的结晶质量,减少了表面缺陷,载流子被复合几率减小,更多的载流子可以被收集。

图2. 莫尔钙钛矿的结构和光捕获示意图,结晶质量等相关性能表征图


制备的莫尔钙钛矿光电探测器具有优异的探测性能,其响应度为15.62 A/W,探测率为5.58×1013 Jones,开关比可达2.7×104,其中响应度和探测率分别是平面无结构器件相应参数的6.7倍和7.8倍。除此之外,制备的光电探测器具有优异的偏振灵敏特性,光电流峰谷比为1.58,在此基础上,对制备的器件进行了偏振成像测试,并取得了良好的偏振成像效果。

图3. 器件偏振特性及偏振成像测试


综上所述,该研究团队通过纳米压印技术引入具有偏振特性的一维光栅结构,同时提高光捕获性能和结晶质量,制备了高性能偏振敏感钙钛矿光电探测器,提高探测性能的同时致力于器件功能化,实现了偏振成像应用。此项工作显示了在军事目标探测,医学癌症检测方面的应用前景,为制备新型高性能的光电探测器开辟了新的途径。


本工作中国科学院化学研究所为第一完成单位,中国科学院化学研究所硕士生宋谦汪洋助理研究员为共同第一作者。中国科学院化学研究所李明珠研究员为该论文的通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Moiré Perovskite Photodetector toward High-Sensitive Digital Polarization Imaging

Qian Song, Yang Wang, Florian Vogelbacher, Yan Zhan, Danlei Zhu, Yangjie Lan, Wenzhong Fang, Zemin Zhang, Lang Jiang, Yanlin Song, Mingzhu Li

Adv. Energy Mater., 2021, DOI: 10.1002/aenm.202100742


导师介绍

宋延林

https://www.x-mol.com/groups/greenprinting_usts 

李明珠

https://www.x-mol.com/groups/li_mingzhu 


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