吉林大学刘冰冰教授、李全军教授团队《Adv. Funct. Mater.》：显著增强CsI3光通讯波段光电性能的压力调控能带策略

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高光响应率、低功耗和宽光谱响应范围的光电探测，特别是光通讯波段的光电探测，对于光电显示、军事和光通讯等诸多领域都有着重要的意义。然而，基于光电导原理的光电器件光响应率和探测带宽很大程度上取决于光电材料的光学带隙。当前备受关注的红外区域光电材料，如黑磷，由于较差的环境稳定性限制了其进一步的实际运用。因此，不断探索在光通讯波段区域具有理想光电性能的新型功能材料，进一步开发改善材料光电性能的新策略，对于适应光电子工业发展的需求是至关重要。
近期，吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授、李全军教授团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Pressure-Tailored Band Engineering for Significant Enhancements in the Photoelectric Performance of CsI₃ in the Optical Communication Waveband”的文章（DOI: 10.1002/adfm.202108636）。该文通过高压能带工程策略，成功实现对CsI₃光电性能的有效调控，尤其是在光通讯波段光电性能的调控。具体工作亮点如下：

1. 在可见光照射下，CsI₃的光电流随压力显著增强，与初始值相比实现了约五个数量级的增幅；

2. 随着压力的增加，CsI₃带隙持续减小，相继实现了对980、1064、1270、1450和1650 nm近红外光的光电响应, 且光响应性能也随压力显著增强。这是首次通过压力手段将功能材料的光谱响应范围从可见区拓展到光通讯波段(1650 nm)；
3. 利用压力有效降低了CsI₃器件的工作偏压，为低功耗光电探测器的设计提供了新的思路；
4. 结合高压光谱测量和第一性原理计算，揭示了压致带隙的减小是调控其光谱响应范围的关键，而压力调控下P-3c1高压相CsI₃由间接带隙向直接带隙的转变（~6 GPa）则更有利于价带电子被入射光激发形成光生载流子，导致其光电性能的显著提升。

这些结果表明，高压是一种通过调节功能材料的晶体和电子结构来改变其光电性能的有效途径，这为设计宽光谱响应范围、高增益、低功耗的光电功能材料提供了新的思路。

图1. a-b.可见光照射下，外加偏压为15 V时，CsI₃的光电流和响应率R随压力的变化关系。 
图2. a. 压力诱导CsI₃对近红外光产生光电流的原理图；b-i. 在波长分别为980, 1270、1450和1650 nm红外光照射下，外加偏压为15 V时，CsI₃的光电流、光电流密度J_ph、响应率R、外量子效率EQE和比探测率D*随压力的变化关系。 
图3. a-b.可见光照射下，CsI₃在不同偏压和不同压力下产生的光电流。
 
图4. a-b. CsI₃的高压吸收光谱; b. CsI₃的带隙随压力的变化关系；c. P-3c1相CsI₃在9 GPa时的能带结构和态密度。 
论文第一作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室李宗伦博士，通讯作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室李全军教授和刘冰冰教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助支持。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108636

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