湖北大学王浩、东莞理工学院周海、华中科技大学翟天佑InfoMat：超稳定（>5000小时）超灵敏柔性钙钛矿纳米线光电探测器

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溶液法制备的钙钛矿纳米线光电探测器是最有前途的下一代光电探测技术之一，长期稳定性差是阻碍其商业化应用的最大挑战。主要原因在于溶液法制备工艺容易在钙钛矿纳米线中产生大量缺陷, 而现有消除缺陷的工艺策略有效性不足，不能满足要求。因此，开发新的消除钙钛矿纳米线缺陷的策略，是克服当前技术瓶颈的重要手段。

近日，湖北大学王浩教授研究小组与东莞理工学院周海特聘教授、华中科技大学翟天佑教授合作，将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF₄）离子液体作为添加剂加入到甲胺三碘化铅（MAPbI₃）纳米线中，不仅有效的钝化和减少了缺陷，抑制了MAPbI₃的降解，还促使纳米通道的形成，实现了电荷快速转移，获得超稳定与超灵敏的MAPbI₃纳米线光电探测器。具体表现为：1、未封装的器件暴露于空气（35±5%湿度）中超过5000小时无任何性能衰减，是迄今为止报道的最稳定的钙钛矿纳米线光电探测器。2、器件的探测度（D^*）、线性检测范围（LDR）和噪声等效功率（NEP）分别达到2.06×10¹³ Jones、160 dB以及1.38×10^-15 W Hz^-1/2，与已报道的钙钛矿纳米线光电探测器的最高性能相当。此外，与商用硅光电二极管S2386相比，器件表现出更好的漫反射成像能力。本研究为有效提高钙钛矿纳米线光电探测器的长期稳定性提供了一种新的思路，并将加速其商业化应用。

图1. (A)离子液体BMIMBF₄的化学结构；(B)基于BMIMBF₄添加剂的MAPbI₃纳米线的制备示意图；(C) 含有BMIMBF₄(0.6 mmol)的MAPbI₃纳米线的SEM图；(D\E\F)不同含量BMIMBF₄下MAPbI₃纳米线的光吸收谱，XRD图谱以及MAPbI₃纳米线光电探测器的性能。

为了探究离子液体BMIMBF₄添加剂的最佳含量，研究人员测量了不同含量BMIMBF₄下MAPbI₃纳米线的SEM图像、光吸收谱、XRD图谱以及相应MAPbI₃纳米线光电探测器的性能。研究表明，BMIMBF₄含量为0.6 mmol时，MAPbI₃纳米线具有最优的光电特性且相应器件具有最优的性能。

图2. 最优含量BMIMBF₄(0.6 mmol)下MAPbI₃纳米线光电探测器的性能与长期稳定性。

为了获得更好的器件性能，在BMIMBF₄最优含量(0.6 mmol)下，研究人员在玻璃基底上制备了Au/MAPbI₃纳米线/Au结构的光电探测器，并对器件的性能以及长期稳定性进行了深入研究。器件的LDR、NEP以及 D^*分别达到了160 dB、1.38×10^-15 W Hz^-1/2和2.06×10¹³ Jones，与已报道的钙钛矿纳米线光电探测器的最高性能相当。同时，未封装的器件在空气环境（35±5%湿度）中存放超过5000小时后无任何性能衰减，是目前为止报道的最稳定的钙钛矿纳米线光电探测器。

图3. (A)离子液体BMIMBF₄的静电势分布计算结果；(B\C\D\E\F)未添加和添加BMIMBF₄(0.6 mmol)下MAPbI₃纳米线的FTIR光谱，XPS光谱以及陷阱态密度分析。

为了探究添加BMIMBF₄使器件获得优异稳定性和光电探测性能的原因，研究人员首先计算了BMIMBF₄的静电势分布，结果表明BMIMBF₄可以钝化MAPbI₃中的缺陷。进一步通过测试未添加和添加BMIMBF₄(0.6 mmol)下MAPbI₃纳米线的FTIR光谱、XPS光谱以及陷阱态密度，发现BMIMBF₄的引入可以有效减少MAPbI₃中的缺陷，抑制MAPbI₃的降解。

图4. (A\B\C\D\E\F)未添加和添加BMIMBF₄(0.6 mmol)下MAPbI₃纳米线的PL光谱以及TRPL光谱分析；(G) MAPbI₃的化学结构；(H\I)计算的[BMIM]⁺在MAPbI₃（110）晶面上的吸附模型以及相应的差分电荷密度。

研究人员分析了无添加和添加BMIMBF₄(0.6 mmol)时MAPbI₃纳米线的PL以及TRPL光谱，发现添加BMIMBF₄可以实现MAPbI₃纳米线中载流子的快速转移。理论计算证实，这是由于BMIMBF₄吸附在MAPbI₃表面形成了快速电荷转移纳米通道，从而实现了载流子的快速转移。

图5. 最优含量BMIMBF₄(0.6 mmol)下制备的柔性MAPbI₃纳米线光电探测器的性能与机械稳定性。

随着智能柔性电子产业的发展，对柔性可穿戴光电子器件的需求日益迫切。研究人员在PET衬底上制备了含有BMIMBF₄添加剂的柔性MAPbI₃纳米线光电探测器，并对柔性器件的光电探测性能与机械稳定性进行了测试。柔性器件的LDR、NEP和D^*分别达到了140 dB、5.9×10^-15 W Hz^-1/2和4.8×10¹² Jones，是已报道的最灵敏的柔性钙钛矿光电探测器之一。同时，该柔性器件具有良好的机械稳定性，在经过3000次循环弯曲后仍能保持86%的初始性能。

图6. (A)漫反射成像系统示意图；(B)柔性MAPbI₃纳米线光电探测器检测到的“湖北大学校徽缝合轮廓”漫反射图像；(C\D) 商用硅光电二极管S2386以及柔性MAPbI₃纳米线光电探测器检测到的“蝴蝶轮廓”漫反射图像。

最后，研究人员展示了柔性MAPbI₃纳米线光电探测器在漫反射成像领域的应用，该柔性器件显示出卓越的漫反射成像能力。在相同条件下，对同一图案进行漫反射成像，与商用硅光电二极管S2386相比，柔性器件呈现出更清晰且轮廓分明的漫反射图像，表明基于BMIMBF₄添加剂制备的超灵敏MAPbI₃纳米线光电探测器具有巨大的商业化应用潜力。

作者简介

吴定军  

湖北大学

吴定军，分别于2016年和2019年在湖北大学获微电子学士和电子信息硕士学位。目前在湖北大学攻读博士学位，师从王浩教授，主要研究方向为纳米材料的可控合成及其在光电子器件中的应用。

徐永昌  

湖北大学

徐永昌，于2019年在湖北民族大学获得电气工程及其自动化学士学位，目前正在湖北大学攻读硕士学位，师从沈谅平教授，主要研究方向为电路与系统。

周海教授  特聘教授

东莞理工学院

周海，东莞理工学院，特聘教授。2012年博士毕业于武汉大学微电子学与固体电子学专业；2012年6月至2021年9月，加入湖北大学物理与电子科学学院，任讲师、副教授；2017-2018年，美国The University of Toledo的Yanfa Yan课题组访问学者；2021年9月至今，以高层次人才引进加入东莞理工学院国际微电子学院，开展教学与科研工作。周海博士近十年来一直致力于半导体微纳米结构的可控制备及光电器件研究。在一维氧化物半导体纳米线、钙钛矿微纳米结构等的可控制备及其光电探测性能研究等方面取得了一系列创新性研究结果，在Nano-Micro Letters、Nano Energy、ACS Nano、Small等著名期刊以第一/通讯作者发表SCI论文40余篇，SCI他引超过1500次；授权国家发明专利5项。

王浩教授  教授

湖北大学

王浩，湖北大学二级教授，博士生导师，国际先进材料协会会士（FIAAM），Vebleo会士，享受国务院政府特殊津贴，湖北省劳动模范，湖北省新世纪高层次人才第一层次人选，湖北省有突出贡献中青年专家。1989年和1994年分别获华中科技大学学士和博士学位；1994年-2002年北京大学、香港中文大学博士后；2002年任上海交通大学教授；2005-2010年任湖北省“楚天学者计划”特聘教授；2010年任剑桥大学高级研究员；2005-2019年期间分别任法国国家科学研究院、德国马普固态研究所、瑞典皇家理工学院、芬兰阿尔托大学、香港中文大学及台湾中山大学访问教授。兼任国家半导体三维集成制造业创新中心（筹）及湖北江城实验室副主任兼首席科学家、神经形态器件与类脑芯片湖北省工程研究中心主任，中国仪表功能材料学会副理事长、中国半导体三维集成制造产业联盟副理事长、中国金属学会功能材料分会委员、中国稀土学会固体科学与新材料专委会委员。SCI期刊Materials Focus 、Frontiers in Energy Research编委、EI期刊《材料导报》编委。研究方向为能源信息功能材料与微纳器件，主持8项国家自然科学基金项目和10余项省部级重点课题，参与“核高基”国家科技重大专项和“战略性先进电子材料”国家重点研发计划重点专项项目等，获湖北省自然科学二等奖等省部级奖励5项。获授权国际发明专利5项、国内发明专利60项。在Adv. Energy Mater.、InfoMat、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Nano-Micro Lett.、Nano Research、IEEE EDL等期刊发表论文300余篇，其中热点/高被引论文10篇、中国领军/重点期刊论文20余篇，被引用6000余次。

翟天佑教授  教授

华中科技大学

翟天佑，华中科技大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，材料成形与模具技术国家重点实验室副主任，国家杰出青年科学基金获得者（2018年），万人计划科技创新领军人才（2019年），科技部中青年科技创新领军人才（2018年），湖北省创新群体负责人（2019年），国家优秀青年科学基金获得者（2013年，结题优秀），全球高被引科学家（2015，2018-2021年），英国材料、矿物与矿业学会会士 （2022年），英国皇家化学会会士（2017年），国家海外高层次青年人才（2012年），曾获国家自然科学二等奖（5/5，2014年），中国化学学会青年化学奖（2014年）和湖北青年五四奖章（2019年）等。2003年本科毕业于郑州大学化学系，2008年博士毕业于中国科学院化学研究所，师从姚建年院士。2008-2012年在日本物质材料研究机构先后任JSPS博士后(合作导师Yoshio Bando教授)和ICYS研究员(Tenure-track Researcher)。主要从事光电信息功能材料与微纳器件方面的研究，在Nat. Electron. (2), Nat. Commun. (6), Chem. Soc. Rev. (5), Prog. Mater. Sci. (2), Angew. Chem. Int. Ed. (11), Adv. Mater. (36), Energy Environ. Sci. (3), ACS Nano (14), Adv. Energy Mater. (5), Adv. Funct. Mater. (52), Nano Energy (9)等化学和材料知名期刊上发表（含接受）论文410余篇(224篇IF>10，351篇IF>5)，37篇论文被选为ESI高被引论文，所有论文被SCI期刊引用24000余次，H因子为83。主持编纂英文专著1本，受邀撰写两本专著中的5章；申请中国和日本专利42项，授权28项；先后主持基金委优秀青年基金、面上项目、重大研究计划培育项目、杰出青年基金、联合基金重点项目，参与基金委仪器项目和科技部青年973项目等；担任《InfoMat》和《Frontiers in Chemistry》副主编，《科学通报》、《无机材料学报》、《无机化学学报》、《高等学校化学学报》等8个期刊编委，Nat. Energy，Nat. Catalysis，Nat. Electronics，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等70余种国际知名刊物审稿人；担任中国硅酸盐学会青年工作委员会副主任委员，中国青年科技工作者协会第六届理事会理事，中国材料研究学会青年委员会理事和纳米材料与器件分会理事，中国化学会高级会员，中国化学会青年化学工作者委员会、能源化学专业委员会（筹）和“分子光子学与激发态化学”专业委员会委员，中国电子学会半导体科技青年专委会委员，华中科技大学欧美同学会·留学人员联谊会（第三届）副会长等。

论文信息

Ultrasensitive, flexible perovskite nanowire photodetectors with long-term stability exceeding 5000 h

Dingjun Wu, Yongchang Xu, Hai Zhou*, Xin Feng, Jianqiang Zhang, Xiyan Pan, Zheng Gao, Rui Wang, Guokun Ma, Li Tao, Hanbin Wang, Jinxia Duan, Houzhao Wan, Jun Zhang, Liangping Shen, Hao Wang*, and Tianyou Zhai*DOI: 10.1002/inf2.12320Citation: InfoMat, 2022, e12320

关于InfoMat

《信息材料》（InfoMat）创刊于2019年，由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办，是聚焦信息技术与材料、物理、能源以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究的国产英文学术期刊，创刊主编为李言荣院士。

• 中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊

• 中科院分区工程技术大类1区Top期刊

• 影响因子：25.405

• 国产OA月刊

• 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文

期刊主页：http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/infomat

投稿链接：https://mc.manuscriptcentral.com/infomat

编辑部邮箱：[e-mail]

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