苏大FUNSOM特聘副教授：自驱动无铅钙钛矿可见光探测器

研究背景

 

可见光探测器在诸多领域有着广泛的应用，例如光电子学，生物医学，以及互联网(物联网)等领域。自驱动的电子器件不需要耗费外接能源，成为了当今各类研究的热点。在半导体光电子领域，溶液旋涂法制备的钙钛矿结构的材料由于其易操作，制造成本低等优势引起了极大的关注。环境友好型无毒的钙钛矿材料运用于自驱动可见光探测器具有重要的意义。

Perovskite-Inspired Lead-Free Ag₂BiI₅ for Self-Powered NIR-Blind Visible Light PhotodetectionVincenzo Pecunia*, Yue Yuan, Jing Zhao, Kai Xia, Yan Wang, Stefen Duhm, Luis Portilla, Fengzhu LiNano-Micro Lett.(2020)12:27https://doi.org/10.1007/s40820-020-0371-0

本文亮点

 1 研究了新型无铅钙钛矿材料Ag₂BiI₅的光探测能力。2 在自驱动模式下，得到接近恒定的可见光光电响应(近红外抑制率为 >250)。3 研究效率、收集距离、微/纳米结构的薄膜对光电性能的影响。

内容简介

近年来, 溶液法制备的钙钛矿结构的材料广泛应用于光电领域。特别的, 银-铋-卤化物一直被认为特别有前途的钙钛矿材料，因为它的自身特性并且无毒。本文制备了Ag₂BiI₅钙钛矿材料制备近红外(NIR)盲-可见光探测器，可以应用于很多领域(如可穿戴光电子和物联网)。在自驱动模式下，得到接近恒定的可见光光电响应 ≈100 mA/W 响应率(近红外抑制率为 >250)，线性光响应 >5 个数量级。此外，还用模型示意图揭示了在自驱动作用下，收集距离对Ag₂BiI₅光电探测器性能的影响。Ag₂BiI₅材料在低成本的近红外盲-可见光光电探测器具有极大的应用前景。

图文导读

I Ag₂BiI₅材料的形貌结构表征

本文用三种方法制备Ag₂BiI₅材料，第一种方法是反溶剂法(ASP), 在前驱体溶液旋涂过程中，滴加反溶剂以使Ag₂BiI₅薄膜结晶优化的过程。第二种沉积方法为热喷涂(HC)方法。目的是为了研究温度对薄膜微观结构和晶粒尺寸的影响。最后一种沉积方法(简称为HIA)，我们加入了微量的HI增加前驱体溶液溶解度。由于前驱体溶液中AgI的溶解度降低，加入微量的HI的是为了增加其溶解度。从SEM图1(a, b) 中可以看出，基于ASP 和HC 方法制备的薄膜表面有明亮的小颗粒，这些小颗粒很可能是前驱体溶液中未完全溶解的AgI。

图1 Ag₂BiI₅通过(a) ASP、(b) HC和 (c) HIA。每一个沉积过程的示意图对应下面的在不同的衬底上Ag₂BiI₅薄膜的SEM图。(d) 直方图显示通过横截面扫描电镜测定的Ag₂BiI₅层的平均厚度和组成。

在XRD图中，我们可以看到通过HIA方法制备的钙钛矿具有高的结晶性，这可能与加入的HI有关，由于AgI的溶解度较低，微量的HI增加前驱体溶液中的AgI溶解度，从而提高Ag₂BiI₅薄膜的结晶性。 并通过Tauc图谱和UPS图计算出不同制备方法下Ag₂BiI₅薄膜的导带价带和功函数。

图2 Ag₂BiI₅的(a) XRD图、(b) Tauc图和(c) UPS图(价带态(左)和二次电子跃迁(右))通过三种不同的制备方法。c中的插图:计算出的能带示意图。

II 基于Ag₂BiI₅材料的可见光探测器的性能表征

Ag₂BiI₅(HIA)的光电探测器在可见光区域显示出良好的EQE，近红外抑制率为> 250。这说明Ag₂BiI₅光电探测器具有很大的潜力应用于近红外盲可见光的光检测，特别是在比色/色传感中的应用。

图3 (a) 光电探测器内各层的能级图 (插图:器件结构示意图)。(b) 基于不同衬底和不同制备方法的EQE图。(c) HIA (mp - TiO2)光探测器的光谱响应率。(d) 基于HIA和ASP方法制备的光电探测器的光功率和光电流图。

基于ASP / HC (c-TiO₂)的探测器，电子-空穴均需要经很长的距离到各自电极。相比之下，介孔电子传输层的Ag₂BiI₅薄膜电子收集距离短。而基于介孔的ASP / HC (mp-TiO₂) 的Ag₂BiI₅层较厚，空穴收集长度过长。收集效率与收集距离成反比。所以这三种方式中，HIA (mp-TiO₂) 具有最短的收集长度，最好的收集效率。

图4 (a)不同Ag₂BiI₅层的吸收和载流子收集示意图。(b) Ag₂BiI₅层的光电性质。

除了研究Ag₂BiI₅光电子学方面，瞬态光电流的研究也有很重要的意义。Ag₂BiI₅探测器的响应速度满足了很多方面的应用需求 (例如环境监测和智能家居)，此外，还可应用在较短时间的应用程序，(例如可见光通信、高速摄像机)。本文研究表明的钝化缺陷态可以限制Ag₂BiI₅光探测器的响应时间，对未来进一步的研究和应用提供了重要的参考价值。

图5 Ag₂BiI₅光电探测器的瞬态响应。(a)脉冲光(λ= 505 nm) 照射下光电流响应。(b) 提取上升和下降时间。(c)在偏置电压为0 V 的条件下，光电探测器电容与频率变化曲线。(d) Ag₂BiI₅薄膜的霍尔迁移率。

作者简介

Vincenzo Pecunia

苏州大学FUNSOM特聘副教授

HSLAB核心PI成员▍主要研究领域

半导体光电器件和物理；有机场效应晶体管; 有机和金属氧化物半导体界面特性; 印刷电子学； 光电探测；柔性大面积电子器件。

▍主要研究成果

Vincenzo Pecunia师从可溶液加工半导体材料研究领域的创始人之一， “法拉第”奖章得主Henning Sirringhaus教授，在剑桥大学卡文迪许实验室已有6年多的教学和研究经历。 2010年至2014年在英国剑桥大学担任博士生纳米科学与纳米技术培训导师，2014年在剑桥大学获得博士学位，2014年至2016年在剑桥大学卡文迪许实验室任博士后研究员，现任FUNSOM特聘副教授，“苏州大学Henning Sirringhaus分子和纳米光电国际实验室（HSLAB）”的核心PI之一。在有机半导体中的电荷传输机制研究、混合聚合物/金属氧化物TFT和电路集成的机理研究等方面作出了一系列优秀的研究成果。学术论文主要发表于Advanced Materials和Nature等顶级期刊，关键应用技术已申请国际发明专利。承担或参与过多项顶级的学术科研项目，包括Integration of Printed Electronics with Silicon for Smart Sensor Systems项目（2014-2016），被推举为英国工程和自然科学研究委员会的“旗舰项目”；EPSRC的Charge Transport Physics in High－Mobility Organic Semiconductors项目（2009-2015），欧盟委员会的Printable Organic-Inorganic Transparent Semiconductor Devices项目（2011-2014）等大型国际项目。

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撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报》编辑部

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