第一作者：鳳建崗、龔成
通訊作者：吳雨辰、張翔、付紅兵
通訊單位：中科院理化所、加州大學(xué)伯克利分校、天津大學(xué)
研究亮點(diǎn)：
1. 發(fā)現(xiàn)二維鈣鈦礦單晶納米線優(yōu)異的邊緣態(tài)光電導(dǎo)。
2. 基于此制備了超高靈敏度的光電探測器。
有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光電性質(zhì)，已實(shí)現(xiàn)高效率太陽能電池和發(fā)光二極管的制備。鈣鈦礦具備較高的載流子遷移率、較長的壽命和擴(kuò)散距離，因而也是一類較為理想的光電探測器材料。然而，三維鈣鈦礦暗電流偏大制約了其光電探測器的信噪比，使其發(fā)展受到限制。基于多晶薄膜的光電二極管檢測器，雖可以抑制暗電流，但無法實(shí)現(xiàn)較大的光電導(dǎo)增益，因而器件靈敏度也不理想。
有鑒于此，中科院理化所吳雨辰博士、江雷院士課題組，與天津大學(xué)付紅兵教授團(tuán)隊、加州大學(xué)伯克利分校張翔院士團(tuán)隊合作，首次發(fā)現(xiàn)二維鈣鈦礦納米線的邊緣態(tài)光電導(dǎo)效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)了目前世界最高靈敏度的鈣鈦礦光電探測器。
圖1. 二維鈣鈦礦單晶納米線陣列邊緣態(tài)光電導(dǎo)機(jī)理
研究人員通過不對稱浸潤界面，控制二維鈣鈦礦的晶體生長。通過電子衍射、同步輻射掠入射X射線散射發(fā)現(xiàn)，制備得到的納米線取向單一，導(dǎo)電的少層鈣鈦礦和丁胺基離子層層組裝，形成超晶格結(jié)構(gòu)。通過測量不同高度納米線的熒光和光電導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦層的邊緣能夠有效的分裂激子，產(chǎn)生并傳導(dǎo)自由載流子，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的光電導(dǎo)。基于此納米線制備的光電探測器，實(shí)現(xiàn)了104 A/W以上的響應(yīng)度和7×1015 Jones以上的探測度，是目前世界上最靈敏的鈣鈦礦光電探測器，比傳統(tǒng)的硅光電二極管性能高出2-3個數(shù)量級。
圖2. 結(jié)構(gòu)和光譜表征證明二維鈣鈦礦納米線邊緣態(tài)
圖3. 基于二維鈣鈦礦納米線的超高靈敏度光電探測器
圖4. 飛秒瞬態(tài)吸收證明二維鈣鈦礦能量轉(zhuǎn)移
總之，本文首次發(fā)現(xiàn)二維鈣鈦礦單晶納米線優(yōu)異的邊緣態(tài)光電導(dǎo)，并證實(shí)其對光電探測性能的巨大提升，為高性能光電器件的探索指出一條新的道路。
參考文獻(xiàn)：
Feng J, Gong C, Gao H, et al. Single-crystalline layered metal-halide perovskite nanowires for ultrasensitive photodetectors[J]. Nature Electronics, 2018.
DOI: 10.1038/s41928-018-0101-5
https://www.nature.com/articles/s41928-018-0101-5
