近日，廈門大學(xué)與廈門市未來顯示技術(shù)研究院的研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦窄帶光電探測器研究領(lǐng)域取得重要突破，在期刊《Laser & Photonics Reviews》上發(fā)表題為“Spin-deposited Ruddlesden–Popper Polycrystalline Perovskites for Large-Area High-Sensitivity Filterless Narrowband Photodetectors with Ultrafast Response Speed”的研究論文。通過對二維鈣鈦礦多晶薄膜的激子吸收和載流子擴(kuò)散特性精確調(diào)控，結(jié)合電荷收集窄化機(jī)制在3.6 μm厚的薄膜中成功實(shí)現(xiàn)了高靈敏度快速響應(yīng)的鈣鈦礦窄帶光電探測器，其窄帶特性可通過有機(jī)大分子進(jìn)一步精確調(diào)控，并基于旋涂工藝制備了大面積窄帶傳感陣列實(shí)現(xiàn)色分辨成像，為低成本、大面積、高性能鈣鈦礦窄帶光電探測器的實(shí)際應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑。
傳統(tǒng)的窄帶光電探測器依賴于寬帶探測器與窄帶濾光片的組合使用，不利于器件的小型化。鈣鈦礦光電探測器（PNPD）因其優(yōu)異光電性能、高缺陷容忍度、可室溫液相低成本制備等優(yōu)勢使其在制備高性能、大面積窄帶光電探測器上展現(xiàn)出巨大潛力。目前鈣鈦礦窄帶光電探測器主要通過電荷收集窄化（CCN）機(jī)制實(shí)現(xiàn)，通常需要厚度超過60 μm的單晶鈣鈦礦增加短波長光子產(chǎn)生的載流子復(fù)合，抑制短波長光響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)自濾波PNPD。然而鈣鈦礦單晶的制備過程繁瑣且耗時(shí)較長，同時(shí)其感光面積有限，難以滿足大面積制備的需求。
本研究采用一步旋涂法制備二維Ruddlesden–Popper (RP) 相鈣鈦礦多晶薄膜作為光電探測器的吸光層，成功實(shí)現(xiàn)了光譜響應(yīng)半峰寬低至12.7 nm的高靈敏度快速響應(yīng)的PNPD，所需鈣鈦礦層的厚度僅為3.6 μm。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，RP相鈣鈦礦天然形成的多量子阱結(jié)構(gòu)使其具有明顯的窄帶激子吸收特性和有限的載流子擴(kuò)散長度。此外，由于鈣鈦礦多晶薄膜表面和晶界處的缺陷密度較高，使得鈣鈦礦表面產(chǎn)生的激子復(fù)合增強(qiáng)，從而有效抑制短波光響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)窄帶探測。
圖1 鈣鈦礦多晶PNPDs的制備和窄帶響應(yīng)機(jī)制示意圖
通過這一創(chuàng)新策略，研究團(tuán)隊(duì)可進(jìn)一步通過改變RP相鈣鈦礦中有機(jī)大分子烷基鏈的長度，實(shí)現(xiàn)窄帶響應(yīng)特性和器件性能的精細(xì)調(diào)控。其中，最優(yōu)器件的綜合性能（峰值比探測率：1.09 × 1012 Jones，上升/下降時(shí)間：5.6/11.5 μs）顯著優(yōu)于已報(bào)道的同類型鈣鈦礦窄帶光電探測器。更值得關(guān)注的是，基于旋涂工藝的制備優(yōu)勢，研究團(tuán)隊(duì)成功制備了由6 × 6個(gè)PNPD組成的大面積傳感陣列（有效面積4 cm2），該傳感陣列上的36個(gè)PNPD表現(xiàn)出均勻的器件光響應(yīng)并成功實(shí)現(xiàn)了清晰的窄帶成像，且弱光響應(yīng)良好，驗(yàn)證了該窄帶探測方案的可擴(kuò)展性。
圖2 通過鈣鈦礦的組分調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)可見光范圍內(nèi)窄帶探測范圍可調(diào)的PNPDs及大面積傳感陣列在弱光下的色分辨成像
研究團(tuán)隊(duì)通過精確調(diào)控二維鈣鈦礦多晶薄膜的激子吸收與載流子擴(kuò)散特性，結(jié)合電荷收集窄化機(jī)制，成功制備了高靈敏度、快速響應(yīng)的窄帶光電探測器，并實(shí)現(xiàn)了清晰的弱光色分辨成像。該研究為低成本、大面積、高性能鈣鈦礦窄帶光電探測器的實(shí)際應(yīng)用提供了重要技術(shù)支撐，有望推動(dòng)其在光電探測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)長期致力于高性能半導(dǎo)體光電器件的研究，近年來，已在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Laser Photonics Rev.、IEEE EDL等權(quán)威期刊發(fā)表了多篇研究成果。
本工作由廈門大學(xué)、廈門市未來顯示技術(shù)研究院張榮院士團(tuán)隊(duì)完成，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳孟瑜助理教授為該論文的通訊作者。電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生盧麗華為第一作者。這項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0609504）、福建省自然科學(xué)基金（2024J01055）的資助。
（來源：廈大科創(chuàng)夢工廠）
