【材料】暨南大学刘彭义、谢伟广团队Adv. Mater.：气相沉积制备钙钛矿动态成像光电探测器阵列

导语

暨南大学刘彭义、谢伟广团队提出了一种像素级整流的钙钛矿光电二极管-阻隔二极管（PIN-BD）交叉电极光电探测器阵列（Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202207106）。PIN-BD光电探测器在光照下显示出3.3×10²的整流比，抑制了阵列中的电串扰。响应速度快达61.2 ns/72.8 ns。该钙钛矿成像传感器线性动态范围为112 dB，比探测率为1×10¹² Jones，在1.2 lux的弱光照明下仍能灵敏成像，实时图像采集速率超过25 FPS。

前沿科研成果

气相沉积制备钙钛矿动态成像光电探测器阵列

有机-无机杂化钙钛矿对光敏感的特性使其在光电探测器上有出色表现，研究人员发展出许多高灵敏度、宽线性动态范围的钙钛矿光电探测器。随着钙钛矿光电探测器的发展，将其集成到阵列图像传感器是其迈向实际应用必不可少的一环。但像素间的光电串扰是集成钙钛矿光电二极管进行动态成像的主要难点，采用简便的工艺和简单的器件结构实现阵列集成对于推进钙钛矿图像传感器的实际应用至关重要。

图1. 光电二极管-阻隔二极管（PIN-BD） 结构示意图和8×8阵列钙钛矿图像传感器照片。

（来源：Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202207106）

光电二极管在光照下失去整流特性，因此无法在照明时关断器件，为了解决这一问题，作者在钙钛矿光电二极管上堆叠一个阻隔二极管，光电二极管和阻隔二极管尾对尾连接，器件结构为ITO/PEDOT:PSS/MAPbI₃/PC₆₁BM/BCP/PbI₂/Spiro-TTB/Ag。

图2. 器件性能。

（来源：Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202207106）

该PIN-BD结构探测器在光照下具有3.3×10²的整流比，不同偏压下的EQE验证了其在正偏压到-0.5 V偏压范围内无良好响应。尽管在PIN光电二极管上添加了阻隔二极管，该器件仍然具有良好的线性动态范围、探测率和响应速度。

图3. PIN-BD光电探测器的能级排列。

（来源：Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202207106）

作者为了阐明PIN-BD光电探测器的工作机理，采用UPS测量了器件薄膜的能带结构。其整流特性由PCBM/Spiro-TTB/PbI₂形成的阻隔二极管实现。仅当负电压较大时，内建电场增强使得电子得以越过势垒到达电极，形成有效光电流；其他情况下电子和空穴被阻挡，达到整流效果。

图4. PIN-BD图像传感器阵列的性能。

（来源：Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202207106）

作者采用气相沉积法制备该钙钛矿成像传感器，阵列器件具有良好的均匀性和成像能力。PIN-BD结构抑制了PIN结构中的电串扰，在4×4大面积像素阵列和和8×8小面积像素阵列中都实现了对图案精确成像。

图5. 钙钛矿图像传感器

（来源：Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202207106）

该钙钛矿图像传感器采用交叉电极阵列结构实现，能保证最少的引线和高像素密度。作者演示了日常照明环境下的实时图像采集，响应灵敏、迅速，不仅如此，在1.2 lux弱光照明下依然能实现灵敏成像。
综上，该工作利用气相沉积法制备了PIN-BD光电探测器，切断了钙钛矿PIN阵列器件的电流串扰路径，解释了该光电探测器的工作机理。实时成像演示验证了该结构的可行性，该结构使得光电二极管可以最简单的方式和最少的引线实现了阵列集成。

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光电材料与器件团队（刘彭义、谢伟广课题组）简介

暨南大学理工学院物理学系光电材料与器件团队（刘彭义、谢伟广课题组）依托广东省真空薄膜技术与新能源材料工程技术中心和广州市真空薄膜技术与新能源材料重点实验室，团队长期从事新能源材料与器件、半导体薄膜及器件、表界面调控与分析等领域研究，近年来，在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Nano等期刊上发表SCI论文100余篇，工作被Nature、Science Advanced、Advanced Science News等杂志与媒体引用及亮点报道，团队2016年获中国分析测试协会科学技术（CAIA）奖一等奖，2014年获高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖。

团队成员简介

刘彭义，教授，暨南大学理工学院副院长，广东省真空学会理事长，广东省物理学会副会长，广东省物理教学指导委员会副主任委员，中国真空学会常务理事等。主要从事真空薄膜及光伏器件研究，包括光电材料与器件，功能薄膜技术，传感器与传感技术。主持国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金、广东省科技计划等项目，以通讯作者在Advanced Energy Materials、Nano Energy等杂志上发表SCI论文60多篇。
谢伟广，教授，暨南大学物理实验中心主任，主要从事光电材料与器件研究，主持国家自然科学基金面上项目，广东省杰出青年基金等项目，以通讯作者在Advanced Materials、ACS Nano等杂志上发表SCI论文100多篇，研究成果多次被同行在Nature、Nature Photonics等著名杂志正面评述。

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