华中科大刘智勇课题组《ACS AMI》：三色荧光粉封装拓宽钙钛矿光电探测器响应至紫外波段

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自2009年MAPbI₃钙钛矿发现至今，由于其成本低、制备工艺简单、光电转化效率高等优点成为了近些年来研究的热点，但此类材料带隙较小的特性限制了其在紫外光电探测器领域的应用。紫外光电探测器(UV PDs)在电晕与火灾检测、生物和医学成像、国防预警与告警等领域得到了广泛应用。华中科技大学制造装备数字化国家工程研究中心廖广兰教授与刘智勇讲师提出了一种三色荧光粉封装拓宽钙钛矿光电探测器响应至紫外波段的方法，该三色荧光粉封装层在拓宽钙钛矿光电探测器响应波段的同时，隔绝了氧气、水蒸气等对器件的破坏，器件表现出了极高的稳定性。相关成果以标题为“Broadening the Spectral Response of Perovskite Photodetector to Solar-Blind Ultraviolet Region Through Phosphor Encapsulation”（DOI：10.1021/acsami.1c09719.）发表在ACS Applied Materials & Interfaces。华中科技大学机械科学与工程学院博士生张许宁为论文第一作者，刘智勇讲师为论文的通讯作者。此项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等资助支持。
文章通过红、绿、蓝三色荧光粉的吸收与发射光谱比较，确定出最佳的荧光粉封装层为蓝色荧光粉，吸收波段在277nm，发射波段在458nm，通过该荧光粉封装，275nm深紫外光被吸收后发射450nm波段附近可见光，进而作用于MAPbI₃可见光探测器。基于此原理，制备得到的紫外光电探测器件结构自上至下依次为PDMS与荧光粉混合封装层、ITO顶电极、PEDOT：PSS空穴传输层、MAPbI₃钙钛矿光敏层、PCBM电子传输层、BCP电极修饰层与底部银电极，器件通过PDMS与荧光粉混合层封装于陶瓷座子中。275nm深紫外LED照射下，器件外量子转化效率达12.13%，探测率达26.9mA/W、比探测率达7.52×10¹¹、动态响应度达105dB、响应时间达51.99μs。由于PDMS、荧光粉混合封装层的保护，器件在水中浸泡1小时，表现出了出色的稳定性，没有出现响应的衰减。基于此器件，我们搭建了紫外火焰探测与无线紫外通讯的演示demo，展示了基于钙钛矿的紫外光电探测器在物联网与工业4.0中的应用潜力。
 
图1 MAPBI₃紫外光电探测器(a) 蓝色荧光粉吸收、激发光谱；(b) 器件结构示意图；(c) 器件光学图片。 
图2 紫外光电探测器性能测试图(a) I-V曲线；(b) 探测率曲线；(c) 响应率曲线；(d) 动态响应度曲线；(e) 3-dB带宽曲线；(f) 泡水稳定性测试曲线。
 
图3 紫外火焰探测系统 (a) 系统构成；(b) 紫外滤光片；(c)火焰紫外采集数据曲线；(d) MCU采样数据曲线；(e) 火焰探测测试。 
图4 无线紫外通信系统 (a) 系统构成；动作“1”(b)、“2”(c)、“5”(d) 控制信号；动作“1”(e)、“2”(f)、“5”(g) 接收信号

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c09719

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