CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜阵列光电探测器

将光电性能优异、可通过低温溶液法制备的卤化物钙钛矿制成阵列型光电探测器,必将推动其在成像、光通信等领域中的应用。然而,卤化物钙钛矿易被常规溶剂(包括显影液)溶解,导致其与光刻工艺不兼容。自组装单分子疏水层结合光刻工艺的亲水-疏水图形基底制备方法能解决制备过程中极性溶剂与钙钛矿材料不兼容的问题,通过简单的旋涂(极性钙钛矿前驱体溶液仅在亲水图形区域浸润)、低温退火,可以快速获得钙钛矿阵列。CH₃NH₃PbI₃薄膜阵列光电探测器具有良好的光电性能, 530 nm光辐照下探测率为4.7×10¹¹ Jones,响应度为0.055 A/W。这项工作为制备图案可控的钙钛矿薄膜阵列光电探测器提供了一种简单而有效的策略。     

基于SnS2/InSe异质结的高性能宽带光电探测器(英文)

我们报道了一种基于SnS₂/InSe垂直异质结的宽带光电探测器,其光谱范围为365-965 nm。其中,InSe作为光吸收层,有效扩展了光谱范围,SnS₂作为传输层,与InSe形成异质结,促进了电子-空穴对的分离,增强了光响应。该光电探测器在365 nm下具有813 A/W的响应度。并且,在965nm光照下它仍然具有371 A/W的高响应度,1.3×10⁵%的外量子效率,3.17×10¹² Jones的比探测率,以及27 ms的响应时间。该研究为高响应宽带光电探测器提供了一种新的方法。     

基于硫化铅薄膜的宽光谱光电探测器

硫化铅因具有高载流子迁移率、高光吸收系数等出色的光电特性,所以在光电探测领域备受关注。文章通过化学浴沉积(CBD)的方法合成了高质量硫化铅薄膜,并基于厚度约为500 nm的硫化铅薄膜构建了光电探测器。光电测试表明该器件具有从365～1 650 nm的宽光谱响应。进一步的光电特性分析表明,该器件在光强为18.6 μW cm^-2的1 050 nm光照下,响应度和增益高达9.56 A W^-1和11.32,为低成本宽光谱的光电探测器的发展提供了一个有利的平台。     

基于低温ALD氧化锌/钙钛矿复合膜的光电探测器

以原子层低温沉积技术(ALD)制备的氧化锌(ZnO)作为薄膜晶体管载流子传输层,将其与光电敏感性极高的CsPbBrI₂全无机钙钛矿薄膜复合进一步研制出光电晶体管用于光电探测。氧化锌薄膜晶体管可在150℃低温条件下制备且无需高温退火,同时,CsPbBrI₂钙钛矿薄膜也可以在低温工艺下制备。结果显示,CsPbBrI₂/ZnO光电探测器表现出较好的性能,可对365 nm至600 nm波长的光辐射有光响应。在500 nm波长的光照射下,最大响应度和探测率分别可达2×10³A/W和3×10¹⁴Jones。CsPbBrI₂/ZnO光电晶体管的瞬态响应显示出250 ms的上升时间和200 ms的下降时间,并且在长时间测量后瞬态行为保持不变。     

仿真研究下一代钙钛矿基辐照探测器

近年来,金属卤化物钙钛矿材料因其强大的X射线吸收能力、高灵敏度和低制备成本而受到广泛关注^[1]。本文基于二维漂移-扩散方程,模拟了铯银铋溴(Cs₂AgBiBr₆)钙钛矿基探测器的辐照响应特性。根据仿真结果显示,钙钛矿(Cs₂AgBiBr₆)基、硅(Si)基和非晶硒(α-Se)基的探测器之光电流依次可达8.1×10^-3、1.1×10^-3和5.7×10^-5A。此外,钙钛矿基和非晶硒基探测器的光暗电流比(PDR)分别为9759和140000,远高于硅器件的水平。综合考虑成本及器件性能,Cs₂AgBiBr₆钙钛矿是有竞争力的新型辐照探测器有源层材料。     

垂直型g-C3N4/p++-Si异质结器件的光电性能

通过旋涂法制备垂直型的g-C₃N₄/p⁺⁺-Si异质结器件,研究该异质结器件的光电特性,探索其在可见和紫外光区的光电响应规律。该器件在零偏压和反偏压下均有明显的光电响应。在-1 V偏压下器件响应度为1.52 mA/W(激光波长532 nm,光强3.82 mW/mm²),响应时间约为0.94 s,光电流开关比为1.03×10³。相比于g-C₃N₄器件,g-C₃N₄/p⁺⁺-Si异质结器件具有更高的光电灵敏度。经过分析,其光电性能的提高是由于g-C₃N₄与Si之间形成了高质量的内建电场,该内建电场有效分离了g-C₃N₄中具有高结合能的激子,从而获得高的光生电流。特别是该器件在零偏压条件下的光电流开关比仍然可达10³以上,响应速度为0.5 s,表明g-C₃N₄/p⁺⁺-Si异质结器件在自供电低噪声光电探测器领域具有很好的应用前景。     

石墨烯MIS结宽光谱光电特性的研究

Ge基光电探测器具有独特的通信带宽响应特性和良好的CMOS工艺兼容性,在光电探测方面具有广阔的应用前景。但目前商用探测器的响应波段普遍局限在某一波段,难以满足多波段融合、小型化的探测需求。因此,通过在多层石墨烯和N型Ge之间引入薄的SiO2界面层,制备了基于石墨烯金属-绝缘层-半导体(MIS)结的光电探测器,分析了SiO₂的厚度以及石墨烯层数对MIS结器件性能的影响,并测试了器件的光谱响应范围、电流-电压曲线、响应度、开关比等光电特性。结果表明,该器件在254～2200 nm波段内均有响应,在980 nm处的响应度和开关比达到峰值,分别为78.36 mA/W和1.74×10³,上升时间和下降时间分别为1 ms和3 ms。     

高性能石墨烯/硅纳米线阵列异质结光探测器

设计了基于石墨烯/硅纳米线阵列异质结的高灵敏度自驱动光探测器。该探测器中的纳米线阵列为直径约为100 nm的周期性结构,表面纳米结构的光捕获效应可以有效地抑制入射光的反射,增加了有效光照面积,增强了异质结的吸收,从而提高了器件的光电检测性能。实验制备出的异质结在±3 V偏压下表现出明显的电流整流特性,整流比为6.93×10⁵。此外,由于纳米线阵列的光捕获效应增强了探测器在紫外到近红外的吸收,所以该探测器的探测范围可以从紫外到近红外光。在入射波长810 nm、光强为90μW/cm²的光照下,光探测器的光电流响应度可以达到0.56 A·W^-1,光电压响应度达1.24×10⁶ V·W^-1,探测率为1.18×10¹² Jones。更重要的是,该器件具有30/32μs的快速升/降响应速度。     

基于拓扑绝缘体异质结的宽带太赫兹探测器

二维材料中的新量子态对凝聚态物理和现代光电器件的发展具有重要意义。然而具有宽带、室温和快速响应能力的太赫兹光电探测技术,由于缺乏暗电流和光吸收之间的最佳平衡,仍然面临着巨大的挑战。在这项研究中,作者合成了新型拓扑绝缘体材料GeBi₄Te₇,并搭建了其与Bi₂Te₃的范德华异质结,以实现高灵敏度的太赫兹光电探测器。在平面金属-材料-金属结构中实现了在室温下将低光子能量太赫兹波段直接转化为光电流。结果表明,基于Bi₂Te₃-GeBi₄Te₇的太赫兹光电探测器能够实现0.02～0.54 THz的宽谱探测,且具有很高的光响应率(在0.112、0.27、0.5 THz下分别为592 V·W^-1、203 V·W^-1、40 V·W^-1),响应时间小于6μs。值得注意的是,它被用于高频太赫兹的成像应用演示。这些结果为Bi₂Te₃     

基于超宽β-Ga2O3微米带的日盲光电探测器研究

氧化镓的禁带宽度接近5 eV,是一种极具前景的日盲紫外探测半导体材料。基于碳热还原法生长高质量β-Ga₂O₃微米带制备出MSM(Metal-Semiconductor-Metal)结构光电导紫外探测器,研究了不同的结构对光电器件性能的影响。结果表明等间距叉指电极光电探测器相较于两端电阻型光电探测器有更优异的性能。在10 V/254 nm紫外光照下,其响应度、外部量子效率、比探测率和光响应时间等性能提高明显,其中光电流(I_photo)有接近2个数量级的提升,且-2 V附近光暗电流比值增大至2.29×10⁵。随着叉指电极间距从50μm缩减至20μm,器件I_photo变大,其物理机制归因于阳极附近的耗尽层占据电极间微米带的比例增大引发了更高的光生载流子输运效率。     

PbI2对钙钛矿薄膜及太阳电池性能的影响

碘化铅(PbI₂)是两步法制备钙钛矿薄膜最常使用的金属卤化物前驱体,精确控制PbI₂在钙钛矿薄膜中的含量和空间分布以及优化PbI₂薄膜的形貌结构对于制备高效稳定的太阳电池具有重要意义。探索了PbI₂的浓度和退火方式对钙钛矿薄膜及太阳电池性能的影响。研究发现,PbI₂溶液的浓度不仅决定钙钛矿薄膜中PbI₂的含量,也影响钙钛矿的晶粒尺寸、取向及光学吸收等性质,从而导致器件性能的改变,当钙钛矿薄膜表面分布约45%的PbI₂时器件性能更佳。此外,PbI₂的形貌、结晶性和孔隙度受退火方式的影响显著,与溶剂退火相比,通过短暂的1 min热退火制备的PbI₂薄膜更有利于减少钙钛矿表界面缺陷,提升器件的开路电压,最终使器件的基础光电转换效率(PCE)可以提升至20.89%。上述研究结果有助于进一步优化钙钛矿太阳电池制备工艺,提升器件性能。     

基于碳管/石墨烯/GaAs双异质结自驱动的近红外光电探测器

基于单壁碳纳米管(SWCNT)/单层石墨烯/GaAs双异质结结构构筑了自驱动近红外光电探测器,利用GaAs优异的光电特性和石墨烯的高载流子迁移率特点,该光电探测器在无偏压情况下光电响应率可达393.8mA/W,比探测率达到6.48×1011 Jones,开关比为103。而且,利用半导体性SWCNT对近红外光子的高吸收特性以及SWCNT/石墨烯异质结对SWCNT产生光生载流子进行有效分离,使得该双异质结光电器件的光谱响应可拓展至1 064nm,突破了GaAs自身的响应极限860nm。     

溶剂热处理法制备的钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜的微观形貌与电池性能的研究

近年来研究表明,通过增大晶粒尺寸和减少晶界数量可以有效减小钙钛矿太阳能电池的漏电流和增大并联电阻,极大地增加其能量转化效率。溶剂热处理工艺是一种利用溶解再结晶的原理增大薄膜晶粒的实用工艺,可用于制备大晶粒高质量的多晶薄膜。本文制备了不同溶剂热处理时长的旋涂制备的钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜,利用SEM和XRD分析了其形貌和晶体结构的变化,探索了薄膜晶粒形貌与电池性能的对应关系,应用优化后的溶剂热处理工艺成功制备出大晶粒、高性能的钙钛矿薄膜。实验表明,溶剂热处理法制备的钙钛矿CH₃NH₃PbI₃薄膜平均晶粒尺寸接近3μm,较普通热处理方法制备的薄膜晶粒尺寸(约300 nm)有显著增大。     

自供能Bi2O2Se/TiO2异质结紫外探测器的制备与光电探测性能

采用一步水热法合成了不同质量分数的Bi₂O₂Se/TiO₂异质结构,对其进行了X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征,并基于Bi₂O₂Se/TiO₂异质结制备了紫外探测器。实验结果表明：在365 nm紫外光的照射下,Bi₂O₂Se的质量分数为60%时,Bi₂O₂Se/TiO₂异质结探测器的光电探测性能最好,光电流高于Bi₂O₂Se探测器,是TiO₂探测器的7倍;响应时间约为30 ms,是TiO₂探测器的1/6。Bi₂O₂Se/TiO₂异质结探测器的响应度和探测率分别为10^-3A/W、1.08×10⁷cm·Hz^1/2/W,均比...     

石墨烯/硅异质结光电导型探测器光电响应及噪声

设计并制备了石墨烯/硅异质结光电导型光电探测器,重点分析了光电响应与噪声性能。相比纯硅光电导探测器,石墨烯/硅异质结光电导探测器对635 nm波长激光的净光电流从20μA提升至260μA,与此同时,其1 Hz噪声幅值从3.2×10^-17 A²/Hz增加至2.1×10^-16 A²/Hz。进一步比较两种探测器的相对信噪比(净光电流/1 Hz噪声幅值),发现石墨烯/硅异质结探测器的相对信噪比(1.2×10¹⁸)优于纯硅探测器的(6.3×10¹⁷)。此外,探究了石墨烯条带尺寸对于光电响应及噪声的影响,发现随着石墨烯条带长度的增加,探测器的光电响应与噪声呈下降趋势;随着石墨烯条带宽度的增加,探测器的光电响应与噪声呈上升趋势。进一步比较了不同石墨烯条带长宽比探测器的净光电流与相对信噪比,发现净光电流随着长宽比的增大而减小,而相对信噪比随着长宽比的增大而增加。此外,通过沉积Al₂O₃对探测器的噪声进行了抑制。最后,利用栅压调制...     

二硫化锡薄膜场效应晶体管的可见光探测特性

采用化学气相输运(CVT)法和微机械剥离技术制备了SnS₂薄膜,使用Au电极作为源、漏电极,n型重掺杂Si作为栅极,制备了基于SnS₂薄膜的背栅型场效应晶体管(FET),并研究了其电学特性和可见光探测特性。结果表明,制备的SnS₂薄膜具有良好的结晶度,SnS₂薄膜背栅型FET具备良好的栅压调控特性。器件对波长为405 nm的蓝紫光表现出明显的光响应,光响应度高达456.82 A·W^-1,外量子效率为1.40×10⁵%,比探测率为7.12×10¹²Jones,并且具有较快的光响应速度,上升和下降响应时间分别为1 ms和0.5 ms。器件的光探测性能受栅压调控,当栅压为40 V时,器件的光响应度可达730 A·W^-1。     

化学水浴法合成硫化铅探测器的红外响应研究

硫化铅探测器具有短波红外高灵敏度、低俄歇噪声等优点,其中化学水浴法合成的硫化铅薄膜可与CMOS半导体工艺兼容,有利于实现低成本高性能的面阵探测器。然而,目前对化学水浴法合成硫化铅探测器的研究主要集中在较大尺寸的单元探测器。本文基于化学水浴法合成硫化铅薄膜,利用离子束刻蚀工艺,制备了10～200μm尺寸的硫化铅光电探测器,研究了器件光电性能随电阻、长宽比、线宽等参数的变化。结果表明,随着尺寸的减小,硫化铅光电探测器的响应度逐渐增加,在1550 nm短波红外光的照射下,10μm级器件的响应度达到了51.68 A/W,约为200μm级器件的123倍,且在可见光和2.7μm红外波长下也具有良好的宽波段光电响应。本文研究的微米尺寸探测器件可为硫化铅探测器研究提供一定的支撑。     

二维层状材料异质结光电探测器研究进展（特邀）

自石墨烯时代以来,具有独特物理、化学和光电特性的二维层状材料(Two-Dimensional Layered Materials,2DLMs)得到了国内外科研人员的广泛关注。2DLMs因其种类的多样化与带隙的层数依赖性,光谱响应范围覆盖了紫外到红外辐射的极宽波段,具有应用于新一代光电探测器件的潜力。此外,2DLMs不受晶格匹配的限制,能以范德瓦尔斯力(Van der Waals,vdWs)与其他维度材料如体材料、纳米线和量子点等结合,制备得到性能独特且优异的复合结构器件。文中概述了几种应用在光电探测器领域的新型2DLMs异质结光电探测器的研究进展,主要包括基于二硒化钨(WSe₂)、黑砷磷(AsP)、三硫化铌(NbS₃)、二硒化钯(PbSe₂)等异质结光电探测器,这些异质结光电探测器在异质结器件结构设计与新型二维半导体工艺技术应用方面做出了创新,在器件增益、结整流比、响应速度与波长探测范围等多个重要器件性能方面获得了突破性的研究成果。同时,文中还简要分析了这类器件研究当前所面临的挑战,并对其未来的发展方向进行了展望。     

CdCl2后处理的Mn掺杂钙钛矿纳米晶光学性能及其白光LED

Mn²⁺离子掺杂全无机钙钛矿(Mn²⁺∶CsPbX₃,X=Cl, Br)纳米晶(NCs)具有宽发射带、长斯托克斯位移和高量子产率等优势,在固态照明、光电探测和成像等领域有广阔应用前景。然而,目前Mn²⁺掺杂的钙钛矿晶体量子产率很难超过70%,如何改善发光效率,同时调控Mn离子发射中心成为构建高质量白光LED的关键。文章通过CdCl₂后处理技术,进行室温下阳离子交换,获得了高效发光的Cd²⁺和Mn²⁺共掺杂的CsPbCl₃纳米晶。Mn的发射波长可以从604 nm连续调控到624 nm,实现稳定的红光发射。Cd离子掺杂改善了Mn-Cl八面体的晶体场环境,使Mn衰减寿命提高到1.32 ms。此外,通过绿色CsPbBr₃纳米晶和蓝-橙双色Mn∶CsPb(ClBr)₃纳米晶构建了高显色指数的暖白光发光二极管(WLED),其流明效率达60 lm/W,显色指数超过85。     

n-ZnO/p-GaN异质结紫外探测器及其光电性能研究

利用脉冲激光沉积(PLD)方法在p-GaN衬底上沉积了n-ZnO薄膜,构造了n-ZnO/p-GaN异质结型紫外(UV)光-电探测器原型器件,在(UV)光照条件下测试了器件的光电性能。扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)测试结果表明,ZnO薄膜具有很好的结晶质量;I-V曲线显示,器件在黑暗和光照环境下都表现出明显的整流行为;光谱响应曲线表明,器件响应度峰值出现在364nm附近,当反向电压为-5V时光电流达到饱和,此时响应度峰值达到1.19A/W。不同反向工作电压下的光谱探测率曲线表明,器件对364nm附近的UV光有较强的选择性,在-2V偏压下具有最佳的探测率,其探测率峰值达到8.9×1010 cm·Hz1/2/W。