Adv. Opt. Mater. | 自驱动钙钛矿丹倍探测器

论文概述

      2022年1月2日，Advanced Optical Materials最新上线苏州大学李孝峰教授团队研究论文“自驱动钙钛矿丹倍探测器（Self-Driving Perovskite Dember Photodetectors）”，为利用丹倍效应实现高性能自驱动光电探测提供了一个有前景的方案。江南大学理学院青年教师曹国洋博士与苏州大学光电科学与工程学院硕士生张昊宇为论文共同第一作者，李孝峰教授为通讯作者。李孝峰教授团队多年深耕微纳光电探测与转换器件领域，结合新材料、新机理及新结构，为高性能光电探测与转换器件提供了多种新方案。

研究背景

      近年来，自驱动光电探测器（SDPDs）因节能、独立、免维护、可持续性等优点而备受关注。现有的SDPDs主要是基于PN结或非对称肖特基接触。然而PN结型SDPDs 是由多种材料和半导体界面组成，依赖于复杂的掺杂和制备步骤，非对称肖特基接触的SDPDs需要复杂且精确的能带工程。已有研究表明，利用半导体中电子和空穴的迁移率差所产生的丹倍效应（原理见图1）也可实现自驱动光电探测。丹倍效应器件只需要一种类型的半导体，无需复杂的掺杂与能带工程，因此具有结构简单、响应快的特点。早期，丹倍效应已被用于HgCdTe红外探测器。然而由于材料的晶格、表面和界面的不稳定性以及缺乏系统性优化策略，HgCdTe红外探测器响应度和比探测率较低。

技术突破

      李孝峰教授团队对丹倍效应深入研究，发现欲增强丹倍效应，一方面电子和空穴迁移率的差异需足够大；另一方面在载流子收集方向须有较大的光生载流子浓度梯度，这要求半导体的光吸收能力非常强。钙钛矿恰好满足这两点要求。该团队基于钙钛矿材料，对SDPDs进行了理论预测、数值模拟和实验制备。理论预测提供了一个完善的丹倍电压方程（见图2），可用于详细的物理解释和丹倍电压操控。器件级光电模拟用于详细探究丹倍效应的激发条件与性能调控（见图3），并获得器件的光电响应，且所获得器件的光电响应与理论预测高度吻合。仿真结果表明，该器件对宽光谱(300 ~ 750 nm)敏感，响应度为3.8 A/W，比探测率为3.5×10⁹ Jones，响应时间为0.13 μs。团队进一步制备了丹倍效应驱动的钙钛矿基SDPDs，成功观测到丹倍驱动的光电流和光电响应（见图4），获得的响应度、比探测率和上升(下降)时间分别为0.11 A/W、1.3×10⁹ Jones和2.6 (3.5) μs。该研究为利用丹倍效应实现高性能自驱动光电探测提供了有前景的选择。

观点评述

      本论文报道的丹倍型钙钛矿光电探测器扩展了一种基于钙钛矿的新型自驱动光电探测器，具有结构简单、制备简易、响应快等特点。此外，丹倍效应不同于PN结型光伏效应、肖特基势垒及光电导效应的地方在于，丹倍电流的方向由载流子的浓度梯度方向决定，而后三者的光响应电流方向通常由固化的内建电场或外置偏压决定。这意味着，丹倍效应探测器件的光电流方向可以独有地通过光场分布操纵，给人以更大的想象空间。例如该团队利用此特性提出了基于丹倍效应的双极性自驱动偏振探测器【ACS Photonics 2021, 8, 2459?2465】。借助回音壁模式共振和局域表面等离子共振实现TE和TM偏振光照下器件中光生载流子浓度梯度的反向分布，再结合丹倍电流特性，实现了TE和TM光照下，器件的光响应电流分别为正和负值。该双极性突破了传统偏振探测器单极性电流信号的限制，将偏振判据由响应电流的幅值改为极性，使判断更简单精确、快速且免功率标定。相信基于丹倍效应的自驱动光电探测器有望为偏振光探测、光通信等领域带来新的契机。

主要作者

      李孝峰，教育部CJ学者（2020），国家青年特聘专家（2012），苏州大学光电科学与工程学院院长、光学工程学科负责人，数码激光成像与显示教育部工程研究中心主任，教育部现代光学技术重点实验室常务副主任。承担来自科技部、国家自然科学基金委、教育部和江苏省等近10个国家和省部级课题。累计在Advanced Materials、ACS Nano、Applied Physics Letters、Optics Letters、物理学报、中国激光等光电子信息领域主流期刊发表论文超过160篇，做邀请报告/担任分会场主席50余次，获2019年度中国光学学会光学科技二等奖，2019年教育部自然科学二等奖、2015年首届“江苏青年光学科技奖”等奖项。指导学生获得江苏省优秀本科论文一等奖、江苏省优秀本科毕业设计团队、江苏省优秀博士/硕士学位论文奖（6篇）等荣誉。是IEEE、中国光学学会和中国密码学会高级会员，担任美国光学学会Applied Optics和IEEE Photonics Journal期刊副主编，中国光学学会《激光与光电子学进展》、中国光学工程学会PhotoniX期刊编委。主要研究方向：先进光电探测技术及应用、第三代高效太阳能电池的设计与制备、光电传感与检测技术。

  曹国洋，江南大学理学院青年教师。2019年博士毕业于苏州大学光电科学与工程学院，从事低维光电转换器件如纳米线和二维材料光伏与探测器件方面的研究，至今以第一作者在Nano Energy、ACS Photonics、Advanced Optical Materials（两篇）、Advanced Electronic Materials、Optics Express等SCI一区、二区期刊上发表论文7篇，同时合作在SCI一区、二区期刊上发表论文多篇，授权国家发明专利两项，参加国际会议并做口头报告3次。担任Applied Optics、IEEE Photonics Journal和Nano-Micro Letters等期刊审稿人。荣获江苏省2020年优秀博士学位论文，江苏省2020年双创博士，江苏省2020年高校基础物理教师上好一堂课竞赛三等奖。主持国家自然科学青年基金和江苏省自然学科青年基金。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。

了解PhotoniX最新动态