北京大学马仁敏Adv. Mater.：高性能单晶钙钛矿薄膜光电探测器

【引言】

单晶半导体薄膜是构建高性能光电子器件的基石。传统的单晶半导体薄膜的生长基于外延技术，要求高温、高真空以及衬底匹配等苛刻的生长条件。近年来由简捷方便的溶液法合成的卤化物钙钛矿材料在各种光电器件，包括太阳能电池、激光器、发光二极管和光电探测器等方面的应用都取得了巨大的成功。然而目前钙钛矿器件大多基于多晶薄膜或者厚度在十微米量级以上的单晶钙钛矿材料。对于多晶薄膜来说，其内部的晶界与缺陷增加了载流子的散射与复合，使得载流子传输效率降低，限制了器件的性能；对于厚的单晶来说，不必要的材料厚度会增加载流子的传输时间和复合比例，从而限制了器件的性能。钙钛矿材料厚度与结晶性的同时优化对发展高性能钙钛矿器件的重要性不言而喻。制备基于单晶钙钛矿薄膜的光电子器件并研究其性能与物性的构效关系对发展高性能钙钛矿器件具有重要意义。

【内容简介】

近日，北京大学物理学院马仁敏研究员与合作者在Adv. Mater.上发表了一篇题为“High-Performance Single-Crystalline Perovskite Thin-Film Photodetector”的论文（DOI: 10.1002/adma.201704333）。他们通过施加压力的方法对晶体生长进行空间限制调控晶体厚度，同时对衬底表面进行修饰控制成核过程，生长出了厚度可控的大面积CH₃NH₃PbBr₃单晶薄膜。在此基础上制备了高性能单晶钙钛矿薄膜光电探测器。得益于同时优化的钙钛矿材料厚度与结晶性，该探测器可实现200个光子的脉冲弱信号探测，同时其gain-bandwidth product达到70GHz。此外，他们还对基于不同厚度的单晶钙钛矿薄膜材料的器件性能进行了系统研究，揭示了材料厚度对器件性能的重要影响。

【图文简介】

图1：单晶钙钛矿薄膜的形貌表征和性能表征

(a). 厚度为365 nm的单晶钙钛矿薄膜的光学照片；

(b). 单晶钙钛矿薄膜的SEM照片；

(c). 基于单晶钙钛矿薄膜的光电探测器的切面SEM图像；

(d). 不同压力生长条件下钙钛矿薄膜的厚度；

(e). 单晶薄膜X-射线衍射(001)峰的摇摆曲线；

(f). 不同厚度薄膜对光的吸收比例；

(g). 扩散长度与膜厚之比。

图2：光电探测的光响应、增益和响应度

  (a). 器件在暗态和250 nW光照下的I-V曲线；

(b). 器件在不同光强下的增益和响应度。

图3：器件的线性动态范围、探测极限和3 dB带宽

(a). 器件的线性动态范围；

(b). 器件可响应的最低光子数；

(c). 器件自驱动状态下的3 dB带宽；

(d). 器件自驱动状态下的瞬态电流响应。

图4：器件性能与单晶薄膜厚度的关系

(a). 器件的可探测功率与厚度的关系；

(b). 器件的最大增益与厚度的关系。

【小结】

北京大学马仁敏研究组与合作者同时优化了钙钛矿材料的厚度与结晶性，制备了基于单晶钙钛矿薄膜的高性能光电探测器，实现了200个光子的脉冲弱信号探测，和高达70 GHz 的 gain-bandwidth product。北大博士生杨振乾、邓玉豪和博士后张晓伟为论文共同第一作者；马仁敏研究员为论文通讯作者；主要合作者包括John Hopkins的Jacob Khurgin教授，MIT的Nicholas X. Fang教授和UC Berkeley的Xiang Zhang教授。这项工作得到了青年千人项目、国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心等的支持。

文献链接：High-Performance Single-Crystalline Perovskite Thin-Film Photodetector (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201704333)

马仁敏课题组主页：

http://www.phy.pku.edu.cn/~renminma/

本文由材料人编辑部新能源学术组金也供稿，材料牛编辑整理。

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