钙钛矿阵列化组装及其多功能探测器的应用

钙钛矿材料优异的光电性能使其在高集成、 高性能、 多功能光电探测领域具有广泛的应用前景. 近年来, 科研人员致力于钙钛矿阵列化探测器的研究, 并取得了一系列重要的成果. 本文重点评述了钙钛矿材料的阵列化及其多功能探测器的制备和应用, 介绍了钙钛矿材料的结构分类、 阵列化集成方法及光电探测器的基本器件类型和性能指标, 并进一步阐述了基于钙钛矿一维阵列的高性能光电探测器及其多功能探测器的相关应用研究进展. 最后, 对该研究领域未来的发展方向进行了总结和展望.     

大尺寸二维卤化物钙钛矿铁电晶体的生长及偏振光电探测性能研究※

低维半导体材料, 尤其是近些年快速发展的二维卤化物钙钛矿材料, 因其固有的结构各向异性、独特的量子限域效应和优异的半导体特性, 在偏振光电探测等领域展现出巨大的应用潜力. 其中, 铁电极化所产生的体光伏效应为实现高灵敏的偏振光电探测提供了一种简单有效的途径. 然而二维卤化物钙钛矿铁电体的大尺寸晶体生长仍然是其在光电器件应用中所面临的一个科学难题. 本工作中, 利用溶液降温法生长出了厘米级尺寸的高质量二维卤化物钙钛矿(iPA)₂EA₂Pb₃I₁₀ (iPA为异戊胺, EA为乙胺)铁电单晶, 其最大晶体尺寸达15 mm×15 mm×3 mm. 实验结果表明二维钙钛矿结构赋予(iPA)₂EA₂Pb₃I₁₀晶体强的光学各向异性、窄的光学带隙(1.80 eV)和极其优异的光电特性(光电响应开关比达到10³). 更重要的是, 基于(iPA)₂EA₂Pb₃I₁₀铁电单晶组装的光电探测器在弱偏振光的照射下表现出极其优异的光电特性, 包括大二色比(2.3)、高响应度(193 mA•W^–1)和探测率(7.0×10¹¹ Jones), 超过大多数基于材料本征光学各向异性的光电探测器件. 这项工作不仅为高度各向异性卤化物钙钛矿铁电体的晶体生长指明了方向, 而且推动了铁电材料在高性能偏振光电探测器等方面的应用.     

二维钙钛矿材料及其在光电器件中的应用

二维钙钛矿作为一种新型光电材料,既具有二维材料的可溶液加工、柔性、可穿戴性以及廉价容易制备等特点,又具备钙钛矿材料结晶度高、载流子迁移率高、激子束缚能低、量子效率高、吸收光谱宽、光吸收系数高和能耗损失低等特性,已经成为材料研究领域的热点而受到广泛关注。本文深入分析了二维钙钛矿材料的组成特点及结构构建规则,探究了其光电特性、能带性质以及非线性光学性质等,对二维钙钛矿光电材料常见的两大类制备方法液相法和气相法进行了归纳,总结了二维钙钛矿材料在太阳能电池、光电探测器、发光二极管、场效应晶体管和激光等光电器件领域的应用现状,最后对该类材料目前存在的主要问题及未来发展前景进行了展望,以期为设计制备高性能二维钙钛矿光电材料提供参考。     

宽谱响应的混合碳纳米管光电探测器的制备和性能

基于表面等离子体增强的机理,利用银纳米线及半导体性单壁碳纳米管通过微纳加工手段制备了一种混合光电探测器,使用扫描电子显微镜、拉曼光谱分析仪、半导体装备分析仪及光电流谱技术等手段分别表征了制得混合光电探测器的微观形貌、响应光谱特征、光吸收性能和光响应性能及光电流光谱性能。结果表明,制得混合光电探测器沟道薄膜形貌均匀紧密,沉积成膜的碳纳米管直径约为1.4 nm,主要由半导体性单壁碳纳米管所构成。该杂化的光电探测器在可见光到近红外光谱范围内都表现出优良的宽谱响应特性。在近红外波段(约1 050 nm)下,混合光电探测器的光响应度可以达到34.9 mA/W,远优于无银纳米线光电探测器(7.45 mA/W)。并且混合器件在受到532 nm激光激发时的响应时间约为200μs,同时保持了超快的光响应性能。与无银纳米线光电探测器相比,混合光电探测器在宽谱范围内的光响应性能增强,其中,在光电流模式下的光响应性能最高增强7.5倍。     

Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体纳米晶

半导体纳米晶是近年来发展起来的一类新型功能材料,因其独特的量子限域效应和光电性质,在太阳电池、发光二极管、光电探测器、生物标记、非线性光学等领域中具有潜在的应用。与目前研究比较多的Ⅱ-Ⅵ和Ⅳ-Ⅵ族纳米晶相比,Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体纳米晶,不含镉和铅等重金属元素,具有毒性小、带隙窄、光吸收系数大、Stokes位移大、自吸收小以及发光波长在近红外区等特点,有望成为新一代低成本太阳电池和低毒荧光量子点生物标记材料, 还可用于发光二极管和光电探测等领域。因此,Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体纳米晶的合成、性质及应用研究成为近期纳米晶研究领域的热点之一。本文将综述Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体纳米晶的研究进展,着重介绍其制备方法、光学性质及其在生物标记、太阳电池等领域的应用。     

锡基钙钛矿太阳能电池研究进展

自2009年以来,有机-无机卤化物钙钛矿因其独特的光学和电学性能,在光电材料领域受到了广泛的研究,尤其是Pb基的卤化物钙钛矿太阳能电池,目前光电转换效率高达创纪录的约25.2%,显示出强大的商业化潜力。然而,Pb元素的毒性及因而导致的环境隐患问题,一直是其产业化过程中的顾虑之一。因此,寻求能替代Pb的环境友好的元素,是一个十分重要的课题。Pb基钙钛矿材料优异的光电特性来源于Pb²⁺的最外层6s2孤对电子,与Pb元素同主族的Sn元素能够形成三维钙钛矿结构且同样具有惰性5s2外层电子结构,因而是替代Pb的首选。本文系统地介绍了Sn基钙钛矿的光学和电学性质,并从薄膜制备方法和不同的器件结构方面介绍Sn基钙钛矿太阳能电池的最新进展。     

通过控制陷阱分布实现高灵敏度窄带近红外响应有机光探测器

近红外(NIR)窄带光电探测在机器视觉、医学检测、智能通信等领域具有重要应用.本文提出了一种基于激子解离窄化机制的改进型层级器件结构,以实现响应峰值为940 nm的近红外窄带有机光电探测器(OPD).系统研究表明,通过调节器件内部的陷阱态密度分布,可以有效地提高窄带探测器的外量子效率(EQE)峰值.最终,基于双激子耗散...     

钙钛矿材料制备中的溶剂配位效应

钙钛矿材料具有吸收系数大、载流子迁移率高、可溶液加工等特点,在太阳能电池、发光二极管、光电探测等领域具有潜在的应用价值。钙钛矿的光电性质与其维度、尺寸、形貌密切相关,因此研究材料的生长是实现高性能器件应用的基础。钙钛矿前驱体与溶剂之间的配位作用对钙钛矿的生长过程具有重要影响。本综述总结了钙钛矿前驱体与溶剂之间的配位作用对钙钛矿单晶、多晶薄膜、量子点三类体系制备的影响,讨论了在上述材料制备中的溶剂配位效应,特别是溶剂配位效应所形成的溶剂化物对材料生长过程,以及所制备的材料(形貌、晶相、缺陷、稳定性)的影响。最后,我们对这一研究方向存在的问题和挑战进行了分析和展望。     

Sn类钙钛矿太阳电池薄膜的掺杂改性研究

采用一步法分别制备了Sn类CH3NH3Sn I3和Pb类CH3NH3Pb I3钙钛矿太阳电池薄膜材料,并对其表面形貌、微观结构、吸收光谱和电池器件性能进行了表征和测试。研究结果表明:Sn类钙钛矿材料的吸收光谱相对于Pb类钙钛矿材料发生了明显的红移,吸收截止波长从800 nm上升到950 nm左右,光学带隙由1.45 e V降低至1.21 e V左右;Sn类钙钛矿材料的光谱吸收范围明显扩大,但吸收强度有所降低,相应太阳电池器件的光电转换效率也明显低于Pb类钙钛矿太阳电池,分别为2.05%和6.71%。而Br的掺杂可使Sn类钙钛矿材料带隙变宽,吸收光子能量增大,电池器件的开路电压也相应提高。当Br含量由0增加至完全替代I时,Sn类钙钛矿材料逐渐由黑褐色转变为黄色,光学带隙增大至1.95 e V,但吸收截止波长由950 nm降低至650nm。值得提及的是当Br含量为0.5时,电池器件的光电转换效率可由最初的2.05%提升至2.94%。     

PbO-PbI2复合物膜转化的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜及其光电特性

有机-无机卤化物钙钛矿是一类优异的光电材料. 在过去四年内, 基于有机-无机卤化物钙钛矿的光电器件实现了超过15%的光电转换效率. 而有机-无机卤化物钙钛矿材料的可控制备是保证其在光电器件中应用的基础. 本文采用新的沉积方法在玻璃衬底表面制备了一种典型的有机-无机卤化物钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜. 其制备过程是: 采用超声辅助的连续离子吸附与反应法在玻璃衬底表面沉积PbO-PbI₂复合物膜, 之后与CH3NH3I蒸汽在110 ℃环境下反应, 将PbO-PbI₂复合物膜转化成CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜. 对CH₃NH₃PbI₃薄膜的微观结构, 结晶性及其光电性能等进行了表征. 结果表明, CH₃NH₃PbI₃薄膜呈晶态, 具有典型的钙钛矿晶体结构. 薄膜表面形貌均匀, 晶粒尺寸超过400 nm. 在可见光范围, CH₃NH₃PbI₃薄膜透过率低于10%, 能带宽度为1.58eV. 电学性能研究表明CH₃NH₃PbI₃薄膜表面电阻率高达1000 MΩ. 高表面电阻率表明CH₃NH₃PbI₃薄膜具有一定的介电性能, 其介电常数(ε_r)在100 Hz时达到155. 本研究提出了一种制备高质量CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜的新方法, 所得CH₃NH₃PbI₃薄膜可望在光、电及光电器件中得到应用.     

少铅钙钛矿CH3NH3SrxPb(1-x)I3的合成及其在全固态薄膜太阳能电池中的应用

近年来, 有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)得到了迅猛发展, 其最高光电转换效率已经达到19.3%. 该类型太阳能电池使用的钙钛矿型吸光材料为含Pb的有机-无机杂化铅卤钙钛矿, 从长远来看,Pb的毒性将制约其大规模应用. 本文从减少吸光材料中Pb的含量出发, 尝试用Sr 部分取代Pb制备一系列少铅钙钛矿CH₃NH₃Sr_xPb_(1-x)I₃, 并将其应用于钙钛矿太阳能电池进行光电性能的研究. 研究结果表明, 相比于全Pb 钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)材料, Sr 取代量为30% (x=0.3)时, 所形成的CH₃NH₃Sr_0.3Pb_0.7I₃光谱吸收大范围增强,但基于此材料制备的电池器件性能明显下降.     

二维硫化钼基原子晶体材料的化学气相沉积法制备及其器件

二维过渡族金属硫属化合物因其带隙具有强烈的层数依赖性而在电子器件方面具有广泛的应用前景.其中单层二硫化钼(MoS₂)是该系列材料中最典型的一种直接带隙半导体,它具有优异的光、电、磁、热和力学性能.二维MoS₂有望在光电探测、光伏器件、场效应晶体管、存储器件、谷电子和自旋器件、温差电器件、微纳机电器件和系统等方面得以广泛应用.化学气相沉积(CVD)法已成为制备二维过渡族金属硫属化合物如MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂等原子层薄膜的主要手段,尤其科学界利用CVD法对二维MoS₂材料进行了深入的制备探索,通过该方法制备的MoS₂薄膜在电子和光电器件方面已经有广泛研究.本文将从二维MoS₂的基本物性出发,详细介绍CVD法制备MoS₂的各种工艺过程,如热分解硫代硫酸盐法、硫化Mo(MoO_3-x)薄膜制备法、MoO_3-x粉体与硫属前驱体气相合成法和钼箔表面直接硫化法,并介绍了基于MoS₂的二维异质结构筑方法.在制备材料的基础上,详细阐述了二维MoS₂在场效应晶体管、光电探测器、柔性电子器件以及异质结器件方面的应用,并展望了二维材料在半导体器件中的应用前景.     

基于自支撑的MoS2-RGO-MoS2复合薄膜的悬浮型宽谱光电探测器研究

宽谱光电探测器旨在获取目标发射或反射的紫外、可见光、红外等各个波段的电磁波信息,用以在各种环境下准确地识别和分析目标,在成像、医学诊断、遥感、夜视、环境监测、人工智能等领域有广泛应用。本文将MoS_2的高效宽谱光吸收特性与RGO的高效输运特性相结合,设计并制备了悬浮型MoS_2-RGO-MoS_2光电探测器。MoS_2-RGO-MoS_2的独特结构,既能利用上表面的MoS_2吸收入射光,又能利用下表面的MoS_2吸收透射光,实现了两次光吸收,提高了探测器的响应率。MoS_2-RGO-MoS_2光电探测器和RGO光电探测器的对比研究发现,从紫外(375 nm)至近红外(1550 nm)的宽光谱范围内,MoS_2-RGO-MoS_2光电探测器的响应率均明显高于RGO光电探测器,最高可达1006 mA/W,对探测器的实际应用具有重要意义。     

CsPbX3(X=Cl,Br,I)纳米晶的制备及其应用

全无机钙钛矿CsPbX₃(X = Cl, Br, I) 纳米晶作为一类新型的低成本直接带隙半导体材料,具有优异的光学性质,如吸收系数高、尺寸和发射波长易调节、半峰宽窄、荧光量子产率高等特性,在照明、能源、信息显示和探测等领域表现出巨大的应用潜力,成为材料领域的研究热点。本文从CsPbX₃纳米晶的结构组成入手,重点综述了其常见的制备方法如高温热注入法、室温再沉淀法、溶剂热法、液滴微流控法、阴离子交换法等,对常见的形貌尺寸控制策略如反应温度和表面配体进行归纳,以及改善CsPbX₃纳米晶稳定性的策略,总结了此类材料在白色发光二极管、电致发光二极管、激光器、光电探测器、太阳能电池等光电领域的应用情况,最后对CsPbX₃纳米晶领域存在的问题和面临的挑战进行了分析和评述。     

基于金/硅纳米线阵列肖特基结的自驱动式的可见-近红外光探测器性能研究

本文成功构筑了金/硅纳米线(Au/SiNWs)阵列自驱动式可见-近红外光探测器.探测器在暗态时表现出良好的二极管整流特性,在±1 V偏压下,整流比达584.在可见-近红外光照下,光探测器具有明显的光生伏特效应.光探测性能研究表明:当无外加偏压时,探测器对波长为405 nm、532 nm和1064 nm的光源具有较高的响应率,并且响应快速、信号稳定,重现性良好;当给器件施加一个很小的正偏压时,通过暗态和照光的切换,探测器可使外电路中的电流快速地正负交替变化,从而实现一种快速、有效的二进制光响应.自驱动式Au/SiNWs阵列光探测器显示了高灵敏、快速、宽光谱响应特性,具有巨大的应用前景.     

倍增型有机光电探测器的研究进展

介绍了倍增型有机光电探测器的发展、工作机理、性能调控及相关的应用探索. 2015年张福俊课题组以单载流子传输通道的给受体混合(质量比约为100:1)薄膜为有源层，率先报道了界面附近受陷电子诱导空穴隧穿注入的倍增型有机光电探测器，并抑制了器件的暗电流密度.通过优化有源层厚度调控了界面附近受陷电荷的体分布，制备出超窄响应的倍增型有机光电探测器，并提出载流子注入窄化的新概念.利用三元策略及双层策略，制备出了宽响应倍增型有机光电探测器.利用光子俘获层调控器件的响应范围，以及利用倍增层获得了较大的外量子效率，将二极管型与倍增型器件的优势集中在一个器件中.引入光学调控层或将宽带隙材料引入有源层中，调控界面附近受陷电子分布，优化了器件的光谱形状，进而制备出响应光谱宽且平的倍增型有机光电探测器.将制备的倍增型有机光电探测器应用到心率监测、单像素成像及光开关等领域，取得较好的应用成果.     

手性钙钛矿的结构维度与光电特性

近十年,有机无机杂化钙钛矿凭借其新颖优异的光电特性而引起广泛关注。最近,手性钙钛矿由于结合了钙钛矿材料和手性材料各自独特性能,在三维显示、光学信息处理、量子光学、生物探测、自旋电子等方面具有重要应用价值。根据有机、无机组分的空间分布,可以对手性钙钛矿的结构维度进行分类。本文以手性钙钛矿的不同结构维度为出发点,分别阐述了一维、二维和三维手性钙钛矿的晶体结构、光学和光电特性,包括圆二色性、圆偏振光致发光和光电探测等特性。考虑到二维手性钙钛矿具有独特的范德华层状晶体结构,重点介绍了其与其它二维材料组合成二维异质结构方面的工作。最后,分别从材料制备和器件应用的角度,总结了手性钙钛矿的重点挑战问题和未来发展方向。     

基于有机复合材料的近红外和短波红外光探测器

近红外及短波红外光探测器在热成像、夜视、农业视察、生物识别传感和遥感等相关领域具有重要的应用。然而目前大多数商用的红外光探测器需要额外的制冷设备辅助，并且器件不可弯折，很大程度上限制了它的应用。为了解决这些问题，近年来涌现了越来越多有关有机半导体的研究。有机半导体不仅具有可精细调控的带隙、高的吸光系数和机械柔性等优点，并且能够通过“卷对卷”工艺实现大面积制备并与柔性基底兼容。基于有机半导体的红外光探测器无需额外的制冷设备且具有无机红外光探测器所不具备的诸多特点，因而很有希望用于发展下一代红外光探测技术。本综述首先介绍了有机近红外及短波红外光探测光电晶体管、光电二极管器的基本原理，其次介绍了近年来兴起的有机半导体复合材料及其新颖的器件结构，接着总结了有机红外光探测器在电子眼、人工突触、以及可穿戴实时健康监测等应用的最新进展。最后，讨论了这一领域存在的挑战并对其未来发展进行了展望，以期促进该领域的进一步发展。     

有机/聚合物光探测器在医疗健康领域中的应用

有机/聚合物光探测器因其具有响应光谱大范围可调、可制备柔性化器件以及可溶液加工等优势,受到研究人员的广泛关注.随着近年来有机/聚合物光电材料体系的迅速发展,有机/聚合物光探测器的各项性能指标已经可以与商业化硅基光探测器媲美,甚至在短波红外光区的响应性能已经超越硅基光探测器,这使其显示出巨大的应用潜力.特别是在医疗健康领域中,具有轻、薄、柔性等优势的有机/聚合物光探测器受到了广泛的关注,为新型便携式健康监测设备的发展提供了新的技术可能.本文围绕有机/聚合物光探测器,综述了近年来有机/聚合物光探测器在医疗健康领域中的研究进展,并对与之相关的应用原理进行了分析与讨论,最后指出了有机/聚合物光探测器在医疗健康领域中的发展潜力,展望了其未来的发展.     

SCN掺杂提高CsPbI_3胶体量子点的稳定性和光探测性能（英文）

无机卤化物钙钛矿CsPbI_3胶体量子点因其优越的光电性能在光伏和发光器件领域中表现出极大的发展前景。然而,CsPbI_3较差的稳定性阻碍了实际应用。为此,我们采用SCN-离子掺杂CsPbI_3 (SCN-CsPbI_3)量子点用于提高量子点的光学性能和稳定性。研究表明,SCN-离子掺杂不仅减少了量子点缺陷、改善了光学性能,还提高了Pb-X键能、量子点结晶质量以及钙钛矿结构稳定性。结果表明,SCN-CsPbI_3量子点的荧光量子产率(PLQY)超过90%,远高于未掺杂原始样品(PLQY为68%)。高的荧光量子产率表明量子点具有较低的缺陷态密度,这归咎于缺陷的减少。空间限制电荷和时间分辨荧光光谱等研究也证实SCN-离子掺杂减少了量子点的缺陷。此外,SCN-CsPbI_3量子点展现出很好的抗水性能,其荧光强度在水中浸泡4 h后依然保持85%的初始值。而未掺杂原始样品的荧光性能很快消失,这是因为水诱导其相变。基于SCN-CsPbI_3量子点的光电探测器表现出宽波域响应(400–700 nm),高的响应率(90 mA·W~(-1))和超过10~(11) Jones的探测度,远高于未掺杂原始量子点探测器的性能(响应率为60 mA·W~(-1)和探测度为1010 Jones)。