一枚“金”彩的全无机钙钛矿探测器
前言：
近年来，从太阳能领域刮起的钙钛矿材料研究热潮引起了越来越多的科研人员的注意，这类钙钛矿材料具有高的载流子迁移率、较长的载流子扩散长度、出色的可见光吸收能力等优异的光电性能，再加上其可溶液加工性，波长可调谐，无不展现出了钙钛矿在光电探测器中巨大的应用前景。
为何我们要选取无机钙钛矿作为探测器的材料呢？
（1） 高稳定性：在4.5 h高强度激光的照射下，依旧能保持近90%的激光发射强度。
（2） 可加工性：加工方式灵活多样，可打印，可溶液加工，可满足各种各样的制膜要求
（3） 可调谐性：可以通过调节卤素成分的比例构成以及粒子的尺寸来调节其发光波长，能够覆盖整个可见光谱范围。
目前，基于无机钙钛矿的探测器有什么局限呢？
（1）薄膜材料质量难以提升：无论用于哪种器件，要想获得良好的性能，就要提高钙钛矿薄膜的质量，尤其是要减少缺陷，提高载流子的传输能力。然而用传统的旋涂等方法制备的无机钙钛矿薄膜质量都不高，无法满足高性能器件的要求。
（2）简单的器件结构，性能难以提高：常用的光电探测器叉指结构，想要提升性能就需要叉指间距做到很小，来降低载流子的传输损耗，这无疑提高了器件的制备难度。而若要采用垂直的器件结构，膜层间直接接触，虽然载流子损耗降低，探测器的暗电流却会增大。
那么上述的问题该如何解决呢？
我们在曾海波老师的指导下，突破性的将择优取向和等离子增强效应两者相结合，并发现能够极大地提高探测器的性能。该工作发表在Small 2016，10.1002/smll.201602366（全文尽在文末 “ 阅读原文 ” ）。
相较于常用的溶液成膜工艺，如离心、旋涂等方式。离心成膜，即利用离心力将溶液中的纳米晶沉积在衬底上，形成的薄膜更加致密、粒子排布更加有序、更易形成平整无缝的大面积薄膜。经过尝试，选用适当转速进行离心成膜，同样结构的叉指探测器性能有了极大的提高，这得益于离心力带来的薄膜择优取向。实验表明，只利用离心成膜，开关比可以达到超十万次，相较滴涂，性能提高了多倍。下图给出了离心成膜与滴涂的器件表征。
另一方面，由于钙钛矿纳米晶的吸收波段在530纳米左右，联想到其与金属纳米颗粒的等离子共振波长范围是否可以匹配，将金属纳米颗粒作为散射中心，纳入光电器件中来有效提高光的吸收，来进一步提高器件性能。而金纳米颗粒恰好满足这一要求，其等离子共振波长与钙钛矿吸收波长可以匹配，正可以结合这一优势对探测器性能进行进一步的提高。为了验证这一想法，他们在硅衬底上旋涂Au纳米颗粒分散液，然后离心沉积金属卤化物钙钛矿纳米晶，得到致密、有序的薄膜，再通过热蒸发沉积叉指电极，从而得到高性能的CsPbBr3无机钙钛矿纳米晶可见光探测器。实验结果表明，通过引入金纳米颗粒，利用等离子增强效应，开关比可以提升到超百万次。器件的光电流得到了大幅度提高。为了在原理上弄清楚金纳米颗粒的作用，对金的等离子增强效应进行了时域有限差分法（FDTD）理论计算模拟，发现在金纳米颗粒的近场，其增强效应确实非常明显（如下图所示），也为实验结果提供了理论支持。
小结
我们通过改进溶液成膜方法以及引入金纳米颗粒，将择优取向和等离子增强效应相结合，制成的光电探测器工艺简单、可行性高、性能优异、响应快速。在532 nm、4.65 mw/cm2的激光照射下，最高能够达到超百万的开关比。仅利用离心成膜，就能够把光电流从0.67 μA提升到2.77 μA。利用金等离子增强，光电流又进一步得到了提高，增强因子高达238 %。畅想未来，这项技术可以广泛运用于光电晶体管、太阳能电池、发光二极管以及其他光电设备中，用于提高器件的光电性能。
本文来自南京理工大学曾海波教授课题组，执笔者为论文一作董宇辉博士。在此表示感谢。
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