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第一作者：Feier Fang

通訊作者：Yumeng Shi，Henan Li

第一單位：Shenzhen Universitity（深圳大學(xué)）

研究亮點(diǎn)：

1. 通過空間限域法首次制備出橫向尺寸~50m，厚度~5nm的二維Cs₂AgBiBr₆。

2. 基于二維Cs₂AgBiBr₆的光電探測器其開關(guān)比為7.4×10⁴，響應(yīng)時間約1.7/1.7ms，探測度可達(dá)7.4×10¹⁴ Jones，該探測度是我們所知道的基于Cs₂AgBiBr₆的光電探測器中最高的。

研究背景

光電探測器是一種將入射光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電器件，對于包括成像系統(tǒng)，天文學(xué)，軍事系統(tǒng)和光通信在內(nèi)的各種應(yīng)用來說都是必不可少的。與傳統(tǒng)的體相單晶材料相比，二維材料由于其優(yōu)異的光電特性在光電探測器領(lǐng)域引起了越來越多的關(guān)注。盡管用二維材料在制造光電探測器中顯示出許多優(yōu)點(diǎn)，但是二維材料中有限的光路極大地阻礙了其對光收集能力的進(jìn)一步提高。無鉛鹵化物雙鈣鈦礦Cs₂AgBiBr₆因其無毒，化學(xué)穩(wěn)定性高，載流子擴(kuò)散長度長和檢測靈敏度高而引起了光電探測器的極大興趣。二維Cs₂AgBiBr₆通過離子鍵連接，更高的電導(dǎo)率導(dǎo)致更高的光電流，二維材料較低的本征載流子濃度導(dǎo)致較低的暗電流。光電流和暗電流的共同作用使得二維Cs₂AgBiBr₆的光電性能更好。而與其他傳統(tǒng)的帶有有機(jī)陽離子的二維鈣鈦礦相比，不受載流子傳輸通道中絕緣有機(jī)勢壘的影響，自由載流子的傳輸可能會更有利。然而，具有較高結(jié)晶質(zhì)量，較大橫向尺寸且超薄的二維無鉛鹵化物雙鈣鈦礦Cs₂AgBiBr₆還很少有人報(bào)道。我們通過采用空間限域法制備了具有高質(zhì)量的且具有較大橫向尺寸（~50?m）和均勻樣品厚度（~5nm）的二維Cs₂AgBiBr₆。基于二維Cs₂AgBiBr₆的光電探測器其開關(guān)比為7.4×10⁴，響應(yīng)時間約1.7/1.7ms，探測度可達(dá)7.4×10¹⁴ Jones。

成果簡介

深圳大學(xué)微納光電子學(xué)研究院時玉萌教授課題組報(bào)道了通過空間限域法制備的厚度~ 5 nm、橫向尺寸~ 50 μm的二維Cs₂AgBiBr₆。超薄Cs₂AgBiBr₆由于其增強(qiáng)的光物質(zhì)相互作用，在光電探測方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，其開關(guān)比為7.4×10⁴，響應(yīng)時間約1.7/1.7ms，響應(yīng)度54.6 A/W，探測度可達(dá)7.4×10¹⁴ Jones。

圖1. 基于二維Cs₂AgBiBr₆的高性能光電探測器。

要點(diǎn)1：二維Cs₂AgBiBr₆的制備與表征

通過對改變限域空間中基底的親疏水性，優(yōu)化前驅(qū)體溶液濃度及限域空間的間隙大小，制備了結(jié)晶性良好，橫向尺寸~50?m，厚度~5nm的二維Cs₂AgBiBr₆。并且當(dāng)Cs₂AgBiBr₆從體相到減薄至二維時，其吸收光譜發(fā)生藍(lán)移，這為制備具有波長選擇性的光電探測器打下了良好基礎(chǔ)。

圖2. 通過空間限域法合成二維Cs₂AgBiBr₆的流程示意圖。

圖3. 二維Cs₂AgBiBr₆的形貌及成分表征。

圖4. 從體相減薄至二維的Cs₂AgBiBr₆光學(xué)相關(guān)表征。

要點(diǎn)2：基于二維Cs₂AgBiBr₆的高性能光電探測器

通過對基于體相至二維Cs₂AgBiBr₆光電探測器的對比，優(yōu)化了最優(yōu)器件的材料厚度（約15nm），其開關(guān)比為7.4×10⁴，響應(yīng)時間約1.7/1.7ms，響應(yīng)度54.6 A/W，探測度可達(dá)7.4×10¹⁴ Jones，且器件響應(yīng)度與光吸收有較好的相關(guān)性，顯示出了良好的波長選擇性性能。

圖5. 體相及二維Cs₂AgBiBr₆光電探測器的性能對比。

圖6. 二維Cs₂AgBiBr₆光電探測器波長相關(guān)的器件性能及響應(yīng)時間。

小結(jié)

通過空間限域法合成的二維Cs₂AgBiBr₆是用于光電檢測很好的替代材料，顯示出了良好的光電檢測性能。空間限域法可以擴(kuò)展到其他鈣鈦礦相關(guān)材料，這為探索新型環(huán)保高性能光電材料鋪平了道路。

參考文獻(xiàn)

Fang, F., Li, H., Fang, S., Zhou, B., Huang, F., Ma, C., Wan, Y., Jiang, S., Wang, Y., Tian, B., Shi, Y., 2D Cs₂AgBiBr₆ with Boosted Light–Matter Interaction for High‐Performance Photodetectors. Adv. Optical Mater. 2021, 2001930. 

https://doi.org/10.1002/adom.202001930

作者簡介

課題組負(fù)責(zé)人時玉萌教授，深圳大學(xué)特聘教授，2018年全球物理類高引學(xué)者，2019，2020年全球材料類高被引學(xué)者，長期致力于新型二維微納光電材料的可控制備及其在光電子器件、低能耗器件、柔性電子電路等方面的應(yīng)用。在本領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展，多項(xiàng)研究成果國際領(lǐng)先。目前已發(fā)表學(xué)術(shù)論文160余篇，總引用次數(shù)＞17，000次, h-index 44。以第一作者及通信作者在國際主流期刊發(fā)表多篇高影響力的論文包括：Science, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Optical Materials, Nano Letters, ACS Nano, Small等，獲美國專利，中國發(fā)明專利多項(xiàng)。