哈工大矫淑杰课题组AOM：拓扑绝缘体Bi2Te3作电极的自供能，热稳定，无空穴传输层的钙钛矿基多波段探测器
创新点：矫淑杰团队利用新型拓扑绝缘体Bi2Te3材料替代了传统钙钛矿基光电探测器的贵金属电极，制备出无空穴传输层且热稳定的多波段成像探测器。得益于拓扑绝缘体Bi2Te3的优良特性，该探测器在自驱动条件下可实现紫外/可见/红外的多波段探测，并表现出优异性能。相较于传统的钙钛矿光电探测器，该方法简单高效，降低了制备成本，提高了器件的热稳定性，并实现了多波段光电响应。该研究为未来钙钛矿器件的商业化应用提供了理论和实验支持。
关键词：无空穴传输层探测器，多波段探测，钙钛矿，热稳定性，拓扑绝缘体
图：拓扑绝缘体Bi2Te3作电极的钙钛矿CH3NH3PbBr3基光电探测器。(a)器件示意图; (b) 520 nm可见光照下，电流-时间曲线; (c) 520 nm可见光照下，器件响应时间曲线; (d) 器件响应度-波长曲线; (e) 可见光成像; (f) 近红外光成像; (g) 85 °C, 500 h的器件稳定性。
近年来，有机-无机杂化钙钛矿凭借其优异的特性在众多半导体材料中脱颖而出，在高性能光电探测器领域受到广泛关注。然而，钙钛矿基光电探测器存在高制备成本和低稳定性的两大瓶颈问题，严重阻碍了其商业化进程。高成本来源于两个方面，其一是贵金属电极，其二是空穴传输层材料。常用的空穴传输材料均是有机小分子，其制备过程复杂，制备成本较高，因此售价昂贵。稳定性主要包括湿度稳定性，氧稳定性和热稳定性。利用封装技术，湿度和氧稳定性可有效改善，但热稳定性始终是一个难题。实际上，器件的热稳定性也和空穴传输层密切相关。有机小分子材料的玻璃化转变温度较低，热稳定性较差。此外，为提高其空穴传输性能，通常需要配合添加剂使用，而添加剂的引入将进一步降低玻璃化转变温度，对器件的热稳定性造成不利影响。因此，开发新型电极并设计制备无空穴传输层的钙钛矿探测器具有重要意义，这将在降低器件制备成本的同时改善器件的热稳定性。
哈尔滨工业大学材料科学与工程学院矫淑杰课题组，利用新型拓扑绝缘体Bi2Te3材料替代传统钙钛矿器件中的贵金属电极，设计制备了无空穴传输层的光电探测器 (图a)。该器件在紫外/可见波段的表现出良好的光电性能。无外加偏压条件下，器件的光暗电流比超过104，响应上升/下降时间为28/32 ms, 峰值响应度为97.5 mA/W, 探测率达到1012 Jones (图b, c, d)。该器件可实现单像素点成像，在520 nm, 1 mW/cm2的可见光照射下，获得了轮廓清晰的字母“H”图像 (图e)。此外，拓扑绝缘体Bi2Te3是窄带隙半导体材料，其赋予了器件光功率调制的红外响应，器件在850 nm, 50 mW/cm2的近红外光照射下，也可清晰成像 (图f)。相较于传统探测器，该器件的热稳定性得到了改善。在85 °C, 500 h长时间加热条件下，该器件的归一化响应度为初始值的61.5%，而传统器件仅为初始值的31.2% (图 g)。
矫淑杰团队长期致力于光电探测器方向的研究工作，本项研究为制备高性能且低成本的钙钛矿基光电探测器提供了新的思路。相关工作以“A Hole Transport Layer-Free. More Thermally Stable, Self-Powered CH3NH3PbBr3-based Multiband Imaging Photodetector with novel Topological Insulator Bi2Te3 Electrodes”为题，发表在 Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.202201018) 上，论文第一作者为哈尔滨工业大学博士研究生刘硕，通信作者为哈尔滨工业大学矫淑杰副教授。
WILEY
论文信息：
A Hole Transport Layer-Free, More Thermally Stable, Self-Powered CH3NH3PbBr3-Based Multiband Imaging Photodetector with Novel Topological Insulator Bi2Te3 Electrodes
Shuo Liu, Shujie Jiao*, Hongliang Lu, Song Yang, Yue Zhao, Dongbo Wang, Shiyong Gao, Jinzhong Wang, Liancheng Zhao, and Yongfeng Li
Advanced Optical Materials
DOI: 10.1002/adom.202201018
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Advanced
Optical
Materials
期刊简介
Advanced Optical Materials创刊于2013年，是一本报道材料科学领域与光-物质相互作用相关的突破性研究的跨学科国际期刊。其收录论文的研究领域包括光子学、等离激元光子学、超材料等。2021年影响因子为10.05。
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