深圳大学&香港科技大学AFM：基于非对称活性层结构的多功能光电器件

Alisa 5年前 (2019-02-26) 4930浏览

【引言】

随着单功能器件的日益成熟，其发展已临近其固有的限制，如何增加功能、减小产品尺寸成为了当前的关键问题。将多个单功能光电子器件集成到一个芯片或系统中是拓展其功能的主要途径，具有可观的应用前景。例如，晶体管、光发射器和光电二极管的片上集成为开发如智能照明、片上光互连、光学无线通信和光隔离器等各种应用开辟了道路。尽管追求光电集成能获得器件功能的增加和性能的提升，但制造一系列单功能器件，并将其集成到系统中无疑增加了制造的复杂性和产品成本。因此，实现具有多种功能的独立器件备受期待，这可以简化制造工艺，降低制造成本，提高集成度，并扩展可能的应用领域。

尽管对各种光电器件的材料要求几乎相同，即高载流子寿命、长扩散长度、低缺陷密度及高复合度，但在单个器件结构中赋予多功能一直是极具挑战性的。在光电器件中，发光和光检测的过程是相反的，电荷提取和电荷注入在相同的界面进行。例如，将光能转换为电能的太阳能电池需要有效的载流子分离和收集，而发光二极管（LED）则更要求高能载流子注入和辐射复合，但由于传统设计的单活性层结构仅便于单向传输，在器件上同时实现有效的电荷提取和电荷注入便显得尤为困难。

【成果简介】

近日，深圳大学李贵君教授联合香港科技大学郭海成教授以及范志勇教授，通过非对称活性层的设计概念，展示了一种多功能光电子器件。此活性层由CsPbBr3卤化钙钛矿和硫族化物量子点形成的杂化异质结构成。此异质结用于作为非对称结构的活性层时，不仅能在良性反应中完成电荷分离/激子解离，还能在完成载流子注入/复合的同时抑制物质内部和界面的非辐射复合。因此，通过概念验证功能的方式进行集成，结合此种异质结的独特器件得到了实现，此器件包含有多色发光二极管、高效光伏能量收集装置和超敏光探测器。而且，此发光二极管的性能表征明显优于相应的单活性层器件，尤其体现在其高亮度的电致发光及其优异的稳定性。非对称活性层的概念为将来设计高效的多/单功能器件提供了可行的途径。该成果今日以题为“Multifunctional Optoelectronic Device Based on an Asymmetric Active Layer Structure”发表在知名期刊 Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图1 CsPbBr3/CdSe活性层异质结的性质

A）异质结器件的示意图；B）SEM横截面图像；C）能带结构；D）CsPbBr3/CdSe异质结的光致发光和吸收曲线，插图为CsPbBr3、CdSe和CsPbBr3/CdSe薄膜置于365nm紫外灯下的效果；E）CsPbBr3/CdSe异质结活性层器件和CsPbBr3单活性层器件的暗电流-电压曲线；F）CsPbBr3和CsPbBr3/CdSe薄膜光致发光的时间分辨图，其激发波长为358nm，并在524nm的波长下监测光致发光，插图是电子转移过程的示意图。

图2 电压控制的多色电致发光

电致发光光谱已将主导发光进行归一化处理。插图显示相应的发光颜色。此LED在恒定电流注入下进行测量。此处显示的外加电压与施加到器件的不同电流密度有关。

图3.电压控制多色器件的特性

A）异质结器件在不同偏压下相应的CIE 1931坐标。图中提供CsPbBr3和CdSe单活性层器件的CIE坐标以供参考；B）异质结器件的发光强度与施加电压的函数关系。在测量期间，该装置由385nm的UV光激发C）正向偏置下器件工作原理图。俄歇辅助的电荷上转换过程在步骤2,3和4中描述（红色指示线）；D）红光的电流收益随电压的变化；E）绿光的电流收益随电压的变化；F）不同器件结构下器件的红光/绿光之比。

图4.发光器件性能

A）不同电压下的亮度和电流密度；B）在不同电压下的电流效率和外部量子效率（EQE）

图5. 光捕获与光探测功能

A）光收集（LH）/光探测（LD）模式下器件工作原理图；B）不同活性层结构器件的J-V曲线；

C）CsPbBr3单层器件和异质结器件的光/暗电流比。入射的白光强度为0.8mW cm-2；D）不同光强度下的光响应；E）在斩波器驱动的蓝色LED光源（400nm）照射下响应的光电流。响应时间定义为最大光电流的10％-90％之间的时间；F）器件在-0.5V偏压下的响应度。

【总结】

不同于前人所构想的在电荷传输层和活性层之间广泛形成的异质结，本文展示的异质结位于活性层内。这种双活性层结构不仅可以在高效的良性过程中为电荷分离或激子解离提供路径，还可以增强电荷的注入和复合，原因如下：

1）在分离的活性层中对电子和空穴进行空间限制以抑制非辐射复合；

2）将CsPbBr3与ZnMgO分离以防止载流子的积累，避免非辐射复合；

3）控制复合区域远离界面；

4）阻碍活性层内的电子和空穴的积累，以促进俄歇辅助电荷注入过程。

总而言之，利用异质结活性层的各向异性，我们可获得结合压控多色LED、高效太阳能电池和超敏光电探测器为一体的独特器件，将其中的一个或两个功能的组合将得到多面应用。例如，压控多色电致发光特性可用于制造场顺序显示器和智能照明，采用不同工作模式和不同位置下的发光和探测功能来构建片上光互连，对发光和光收集功能合理地设计在一起可以在环保方面找到可用之处。

与单活性层器件相比，异质结器件的关键优势在于：高亮而稳定的电致发光、极高的光生电压、超快的开关。此外，异质结器件还可以同时进行光信号探测和发光。这些优势为未来的先进应用开辟了新的途径。

文献链接：Multifunctional Optoelectronic Device Based on an Asymmetric Active Layer Structure（Adv. Funct. Mater. 2019, 1807894）DOI: 10.1002/adfm.201807894

本文由深圳大学李贵君教授课题组供稿，材料人编辑部编辑

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