清华&香港城大Science Bulletin：用于可见-近红外成像的低电压调制钙钛矿/有机双波段探测器

【研究背景】

数字成像是许多民用和军事应用的重要技术，如消费电子、人工智能、自动驾驶车辆和国家安全防御。从单元素和单色成像演变而来的下一代成像，是指以高分辨率、灵活性和多光谱传感能力为特征的图像传感。在这些特点中，具有可见光到近红外检测功能的双波段可调谐光电探测器（PDs）在彩色成像、机器视觉、智能监控和具有光谱选择能力的传感器中越来越受到重视。虽然以硅和III-V族半导体为代表的无机半导体材料在目前商业化的光电探测器领域占主导地位，当面临窄带检测和多色成像等新需求时，硅基探测器需要集成滤波器、额外的光学接口和复杂的结构设计，从而降低了其成像阵列的分辨率，因此它们的单一光谱响应难以满足多色成像、可穿戴设备和其他领域的苛刻应用。开发出在多波段范围内具有易于切换的特性和高的特定检测率的新型器件结构，仍然是探测技术的关键挑战。

【研究概述】

有鉴于此，清华大学深圳国际研究生院的韦国丹课题组及其合作者香港城市大学叶轩立课题组基于钙钛矿半导体材料和有机半导体材料，设计了一种ITO/电子传输层/钙钛矿可见光吸收层/有机近红外光吸收层/电子传输层/Ag结构的双波段可切换的光电探测器，实现了在不同偏压下可切换的可见/近红外双波段探测，并有望用于多色成像和光通信等领域。N-I-I-N的器件结构允许在低调制电压下进行双向载流子传输，分别表现出可见响应和近红外响应。在可见光和近红外波段分别实现了 93.5 和 102.2 mA/W 的峰值响应度。该器件还在近红外范围内表现出约 10¹¹ Jones峰值检测率、快速的微秒响应时间以及在可见光和近红外模式下具有低偏置电压的宽动态范围 (>120 dB)。这种不需要光学透镜实现波长选择性的器件设计也有利于双可见光和近红外光成像的 PD 阵列制备。相关研究成果以“Low-voltage-modulated perovskite/organic dual-band photodetectors for visible and near-infrared imaging”为题发表在Science Bulletin 2022年第19期。

Yu Gao, Cong Zhao, Kai Pu, Miao He, Wanqing Cai, Man-Chung Tang, Feiyu Kang, Hin-Lap Yip, Guodan Wei. Low-voltage-modulated perovskite/organic dual-band photodetectors for visible and near-infrared imaging. Science Bulletin, 2022, 67(19): 1982-1990

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927322004145

【图文概览】

图1 双波段探测器的基本器件结构和薄膜特性。(a) 器件结构示意图（左）、PBDBT-DTBT 和 BTP-4F 的结构式（右上）、钙钛矿的晶体结构和组成（右下）。(b)钙钛矿薄膜和有机 BHJ 的归一化吸收曲线。(c)探测器的横截面SEM 图像（Ag除外）。(d) 探测器的模拟光场分布图。(e) 0 V偏置电压下的薄膜能级示意图。

图2 器件的双模响应特性。(a) 在 680 和 900 nm 波长光下的器件的电流-电压（I-V）曲线。 (b) 对于 680 和 900 nm 光源，在 0.5 和 -1 V的偏置电压下测量的 PD 的时间-光电流响应。 (c) 探测器在偏置电压为 -1.5、-1.2、0.3 和 0.7 V时对不同波长光的响应度。(d-e) 探测器在偏置为 0.7 和-1.5 V时的探测度。(f)不同偏置电压条件下探测器的噪声电流。

图3探测器在波长为685 nm（a）和905 nm（b）时的响应时间（上升和衰减）（相应的偏置电压分别为0.7和-1.5 V）。（c）可见光和近红外光下探测器在0.7和-1.5 V时的频率响应曲线和（d）动态响应范围。

图4 器件物理 (a) 双波段探测器的响应度和光谱的对应图。(b, c) 正向（可见光模式）和反向（近红外模式）偏压的器件的电荷载体传输过程示意图。

图5 双色成像阵列(a) 图像阵列的工作过程示意图。(b) PD在可见光模式下的成像结果（P、D 掩模板形状）。(c) 近红外模式下PD的成像结果（T、H、U掩模板形状）。

【作者介绍】

韦国丹在密歇根大学获得博士学位。2018年，她加入了清华大学深圳研究院。她目前的研究兴趣集中在先进的光电器件的开发，如太阳能电池，光电探测器和有机发光二极管（OLED）。

叶轩立教授：现为香港城市大学材料科学与工程学系及能源与环境学院教授，香港清洁能源研究院副院长。2013−2020任职华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室教授。主要从事有机和钙钛矿光电子材料及器件的研发，新应用领域的开拓，以及商业化的转化等。在Nature, Science, Nature Photonics, Chem. Rev., Joule, Adv. Mater., Nat. Commun. 等国际期刊上发表论文260余篇，被引约33000次，H-指数为96，并连续于2014至2021年度入选ESI全球“高被引科学家”。担任Matter杂志国际顾问，Science Bulletin 及 Nanomaterials期刊的编委会会员。

高雨是清华大学深圳研究院的博士生。他的研究兴趣是光电材料和器件，包括过氧化物太阳能电池、有机太阳能电池和光电探测器。

赵聪目前是清华大学深圳国际研究生院材料研究院韦国丹教授指导的助理研究员。他的研究兴趣集中在钙钛矿/有机光电子学和钙钛矿/有机半导体中的电荷载体动力学。