中國科學(xué)院大學(xué)團隊在錫基鈣鈦礦光電探測器方面取得新進展
光電探測器將入射光轉(zhuǎn)換為可調(diào)制的電信號，在自動駕駛、健康監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)成像、光通信、軍事安全和夜視等領(lǐng)域具有重要的作用。然而，市面上的光電探測器主要由無機半導(dǎo)體制成，如 Si、Ge 和 InGaAs等。這些半導(dǎo)體具有高溫加工和柔性不兼容的缺點。最近，有機無機雜化鈣鈦礦材料因其固有的特性，如靈活性、溶液加工性、低成本、可調(diào)帶隙、高吸收系數(shù)、低激子結(jié)合能、高載流子遷移率和長載流子擴散長度等，已成為光電探測的理想候選材料。目前，大多數(shù)高性能的鈣鈦礦光電探測器都含有鉛。但是由于鉛的固有毒性，它無法應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)測和生物成像。在無毒的鈣鈦礦材料中，錫基鈣鈦礦因其寬的吸收光譜、低的激子結(jié)合能和高的載流子遷移率而表現(xiàn)出最大的潛力。然而，先前報道的無鉛鈣鈦礦光電探測器都存在暗電流大、響應(yīng)時間慢和探測率低等問題。 
近日，中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院孟祥悅教授課題組及其合作者，首次發(fā)現(xiàn)通過氰基上具有孤對電子的N可以與Sn2+配位，進而抑制Sn2+的氧化。通過在FASnI3鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液中引入具有氰基基團的2-氰乙基-1-碘化銨添加劑后，Sn2+的氧化被抑制。所得到的薄膜表現(xiàn)出低的非輻射復(fù)合和缺陷態(tài)密度。基于此薄膜的自供電光電探測器，表現(xiàn)出低的暗電流(1.04×10-9 A cm-2)，高的探測率(2.2×1013 Jones)，快的響應(yīng)速度(2.62 µs)和良好的穩(wěn)定性。在加入2-氰乙基-1-碘化銨分子后，器件的暗電流下降了接近一個數(shù)量級。通過抑制Sn2+氧化所增加的激活能被認為是暗電流下降的主要原因。此外，柔性光電探測器也表現(xiàn)出杰出的性能。由于杰出的自驅(qū)動光探測性能，光電探測器在0偏壓和弱光的條件下被用于可穿戴人體健康監(jiān)測。最終，光電探測器與32×32的薄膜晶體管背板集成，實現(xiàn)極弱光(170 nW cm-2)成像。
本工作首次報道了氰基基團用來抑制Sn2+的氧化。通過測試熱激活載流子活化能，Sn2+氧化與光電探測器暗電流的關(guān)系被建立。所得到的光電探測器被用于可穿戴健康監(jiān)測和弱光成像。這一成果近期發(fā)表在Advanced Materials上，孟祥悅教授是文章的通訊作者，課題組博士研究生劉天華為文章第一作者。(文/圖 劉天華)
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