基于二维钙钛矿铁电单晶组装低检测限的偏振光探测器

偏振光检测在光学和光电器件等应用方面中具有重要的实用价值。二维(2D)材料通常具有本征的结构与性能各向异性，在该研究领域占据不可忽视的地位。目前，基于2D无机半导体材料组装的偏振光探测器已有诸多报道，不过生长出高质量晶体并实现高效探测仍然是一个挑战性难题。

近年来，具有2D多层钙钛矿结构的铁电体引起了人们的广泛关注，在光电器件领域的发展逐渐崭露头角。铁电晶体受到本征吸收区的光均匀照射时，内部将出现非平衡载流子的激发，从而影响电极化。自发极化效应形成的静电场促进非平衡载流子的分离和输运，有利于提高光电器件的性能。特别是此类材料具有较强的结构各向异性，无机骨架层和有机阳离子层之间交替排列，形成各向异性强烈的二维晶体结构。基于结构的各项异性，化合物沿不同晶体学方向的物理性能(如光学、电学等)差异明显，适合在偏振光检测方面的应用。此外，采用低温溶液法可生长大尺寸的高质量晶体。因此，2D钙钛矿铁电体材料在光电应用领域具有很好的发展潜力。

中科院福建物质结构研究所孙志华研究员等利用2D钙钛矿铁电体的高质量单晶，组装了性能优异的偏振光检测器。得益于材料独特的钙钛矿框架，产生了较强的光学各向异性，沿不同晶轴方向的本征吸收光的比率达α_c/α_a ≈ 3.2 (λ =405 nm)。此外，铁电自发极化沿c-轴形成较高的内建电场，促进非平衡载流子的输运，从而产生优异的光电响应。

在光强仅为40 nW/cm²的本征吸收光均匀照射时，晶体器件仍表现出显著的二向色性(电流比I ph^c/I ph^a ≈ 1.5)、较强的响应度(~39.5 mA/W)和探测率(~1.2×10¹² Jones)，并具有较短的响应时间(~300μs)与出色的抗疲劳性能等。

该工作表明2D钙钛矿铁电体有望成为发展高效光电器件的潜在候选材料，进一步促进在光学和光电器件等领域的新应用。相关研究以“Ultrasensitive polarized-light photodetectors based on 2D hybrid perovskite ferroelectric crystals with a low detection limit”为题发表于Science Bulletin。

该研究得到了国家自然科学基金重点项目、国家优秀青年基金、中科院战略性先导专项和中国科学院青年创新促进会等项目的资助和支持。

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Jiaqi Wang, Yi Liu, Shiguo Han,Yu Ma, Yaobin Li, Zhiyun Xu, Junhua Luo, Maochun Hong, Zhihua Sun. Ultrasensitive polarized-light photodetectors based on 2D hybrid perovskite ferroelectric crystals with a low detection limit. Science Bulletin, 2020, doi: 10.1016/j.scib.2020.06.018

公众号 SciBull

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