南大彭茹雯教授/王牧教授课题组与北大马仁敏教授课题组等合作Nano Lett.：研制出迄今最薄的单晶杂化钙钛矿柔性光电探测器

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南京大学物理学院彭茹雯教授和王牧教授研究组与北京大学马仁敏教授研究组等国内外五个单位合作，在柔性光电探测器的相关研究中取得重要进展。通过准静态溶液生长技术制备出厚度仅为20纳米的有机-无机杂化钙钛矿单晶薄膜，并基于此研制出超薄的高性能柔性光电探测器，有望推动柔性光电器件和可穿戴设备的发展，应用于仿生学、机器人科学以及医疗保健等领域。该研究成果以“Flexible Ultrathin Single-Crystalline Perovskite Photodetector”为题近日发表于国际著名学术期刊Nano Letters。

柔性光电探测器是可穿戴设备、可折叠显示器件、生物医学成像等系统中至关重要的有源器件。得益于高光学吸收系数、高载流子迁移率、可调节带隙等特性，有机-无机杂化钙钛矿材料在柔性光电器件中的应用已经有不少报道，但是，之前报道的此类器件大多基于多晶的杂化钙钛矿材料。与多晶材料相比，单晶杂化钙钛矿材料具有陷阱态密度低、载流子寿命长以及结构稳定性高等一系列优点。显然使用单晶钙钛矿材料有望进一步提高器件性能。但是由于单晶钙钛矿材料脆性大, 不易弯折，这类材料尚未在柔性光电探测器中得到广泛应用。

长期以来， 彭茹雯教授和王牧教授研究组 致力于微纳结构的制备科学以及光与微纳结构的相互作用研究，特别关注突破衍射极限的纳米光子学研究。最近，该研究组 又将相关研究应用于光电转化，比如利用有机-无机杂化钙钛矿超构材料实现了高效的光捕获及光电转化。他们通过将杂化有机-无机钙钛矿材料的高折射率与其优秀的电学特性相结合，首次从实验上证实利用杂化有机-无机钙钛矿超构材料可以高效捕获可见光并实现高效的光电转化 【 Nanophotonics 9, 3323-3333 (2020)】。研究发现， 与同类材料的薄膜相比较，有机-无机杂化钙钛矿超构材料的光电流增大约40%，光生载流子产生效率增强约40%，相关的内部光生载流子产生效率提高约20%。 相关结果展示了有机-无机杂化钙钛矿超构材料在高效光捕获及光电转化方面的应用潜力。图一 构建基于超薄单晶有机-无机钙钛矿的柔性光电探测器最近，该研究组提出并研制出基于超薄的有机-无机杂化钙钛矿单晶薄膜的高性能柔性光电探测器。该研究组首先利用他们早期发展出的准静态溶液生长方法【Physical Review Letters 86, 3827−3830 (2001); Advanced Materials 21, 3576−3580 (2009)】， 成功制备出有机-无机杂化钙钛矿（CH3NH3PbBr3）单晶超薄薄膜，其厚度可以降低至20nm。然后，创新性地构建出基于这种超薄单晶膜的柔性光电探测器（图一），并证实该光电探测器具有极其优秀的探测性能（图二）和柔性特征（图三）。与之前报道的在可见光频段工作的其它柔性钙钛矿光电探测器相比，该杂化钙钛矿柔性光电探测器具有以下几个特点：第一，活性层厚度仅为20nm，是迄今最薄的杂化钙钛矿柔性光电探测器；第二，该光电探测器的响应率高达5600 A/W，比此前报道的其它杂化钙钛矿柔性光电探测器高出两个数量级。第三，该光电探测器具有0.2MHz的3dB带宽，实现了快速的光探测；此外，由于将钙钛矿薄膜的厚度降低至20nm，杂化钙钛矿在保持高光电转换效率的同时具有很好的机械柔韧特性，从而该柔性光电探测器在弯曲中能保持稳定的光电探测性能，其光电流和开关比等在弯曲过程中保持基本不变，等等。图二 超薄单晶有机-无机钙钛矿光电探测器的光电探测性能图三 超薄单晶有机-无机钙钛矿光电探测器的柔性特征和性能稳定性值得一提的是，这种基于准静态溶液生长的制备技术可以全程在室温附近实现，具有简单的制备程序和低廉的制备成本，研制出的高性能柔性钙钛矿光电探测器可望集成于可穿戴设备和其它柔性光电子器件中，比如人造眼、柔性智能手机等等。该项研究丰富了超薄单晶杂化钙钛矿材料的制备手段，发展了高性能的杂化钙钛矿柔性光电器件，可望推动仿生器件、可穿戴智能设备、可折叠多功能设备等新型集成器件的研制，应用于仿生学、生物传感以及医疗保健等领域。此项工作由南京大学彭茹雯和王牧、北京大学马仁敏、复旦大学包文中、天津理工大学王迪、南京信息工程大学苏静、美国西北大学孙成等国内外六个研究组合作完成。其中，南京大学物理学院应届博士毕业生景灏完成了大部分工作，他是该论文的第一作者。南京大学彭茹雯教授、北京大学马仁敏教授和南京大学王牧教授是该论文通讯作者。南京大学物理学院研究生何捷、周易、李成尧、刘雨和应届博士毕业生朱瑛莺也参与了该工作。该项研究受到国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。

文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.0c02468

来源：南京大学

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