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理化所等高性能二维钙钛矿单晶纳米线阵列光电探测器取得新进展

发表日期: 2018-07-26
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  有机-无机钙钛矿材料具有优异的光电性质,已实现高效率太阳能电池和发光二极管的制备。钙钛矿具备较高的载流子迁移率、较长的寿命和扩散距离,因而也是一类较为理想的光电探测器材料。然而,三维钙钛矿暗电流较大制约了其光电探测器的信噪比,使其发展受到限制。基于多晶薄膜的光电二极管检测器,虽可以抑制暗电流,但无法实现较大的光电导增益,因而器件灵敏度也不理想。 

  有鉴于此,中科院理化所吴雨辰博士、江雷院士课题组与天津大学付红兵教授、加州大学伯克利分校张翔院士团队合作,制备了高质量的二维钙钛矿单晶纳米线阵列,首次发现二维钙钛矿纳米线的边缘态光电导效应,并实现了目前世界上最高灵敏度的钙钛矿光电探测器。 

  研究人员通过不对称浸润界面,控制二维钙钛矿的晶体生长。通过电子衍射、同步辐射掠入射X射线散射发现,制备得到的纳米线取向单一,导电的少层钙钛矿和丁胺基离子层层组装,形成超晶格结构。通过测量不同高度纳米线的荧光和光电导发现,钙钛矿层的边缘能够有效的分裂激子,产生并传导自由载流子,从而实现了优异的光电导。基于此纳米线制备的光电探测器,实现了104 A/W以上的响应度和7×1015 Jones以上的探测度,是目前世界上最灵敏的钙钛矿光电探测器,比传统的硅光电二极管性能高出2-3个数量级。相关研究结果近期发表在Nature ElectronicsNat. Electron. 2018, 1, 404)上,并被同期Nature ElectronicsNews & Views)作为highlight报道。 

 

二维钙钛矿单晶纳米线阵列边缘态光电导机理

  近年来,江雷院士课题组吴雨辰博士研究方向不断深入,开展了浸润性调控图案化制备高性能有机、无机光电器件的研究。先后制备了高性能有机小分子单晶一维阵列光波导(Nat. Commun. 2015, 6, 6737、有机小分子单晶阵列柔性电子器件Adv. Mater. 2016, 28, 2266、有机小分子单晶阵列激光器Adv. Mater. 2017, 29, 1603652)、钙钛矿单晶阵列激光器(Adv. Mater. 2016, 28, 3732)与光电探测器(Adv. Mater. 2017, 29, 1605993)。系列工作面向高性能光电子器件的微型化与集成化制备等新一代信息技术的主要发展方向,力争攻克有机/无机光电材料集成的核心技术并推动有机光电材料与器件的产业化应用。 

  以上研究得到科技部重点专项、国家自然科学基金重点项目及北京市自然科学基金面上项目资助。 

    

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41928-018-0101-5 

 

    

    

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