缺陷，居然也可以有益！

第一作者：Yu-Hao Deng (邓玉豪)

通讯作者：Yu-Hao Deng (邓玉豪)

通讯单位：根特大学

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsr.202300144

【研究背景】

近年来，光电器件的快速发展已经彻底改变了我们的生活方式，并成为现代社会的重要组成部分。然而，尽管光电子学领域取得了巨大进步，缺陷问题仍然被认为是限制器件性能提升的主要挑战之一。在过去的研究中，大多数工作都致力于抑制材料中的缺陷，但是否可以从另一个角度重新审视缺陷，并探索其对光电器件性能的积极影响呢？这是一个值得深入思考的科学问题，也涉及到我们对光电器件设计的重新认识。

【内容简介】

基于以上思考，比利时根特大学的Yu-Hao Deng（邓玉豪）在《Advanced Sensor Research》期刊上发表了一篇引人注目的研究论文。通过深入理解和分析光电器件以及缺陷的本质机理，他提出了一种大胆的观点：即缺陷可能成为提升光电器件性能的关键因素之一。通过充分利用缺陷所蕴含的积极潜能，他们成功实现了光电探测器创纪录的增益和灵敏度。

【图文导读】

首先，作者探讨了缺陷对光电器件性能的负面影响。如图1A所示，半导体内部的电子态缺陷会困扰电子或空穴，并导致它们与相反极性的载流子相互湮灭，进而影响器件性能。同时，图1B和图1C揭示了缺陷可能对载流子传输和半导体材料的结构稳定性造成的损害，这些都是光电器件设计中需要克服的挑战。

图1. 缺陷对半导体光电器件有害的影响。

然而，作者提出了一种全新的视角：在光电探测器中，缺陷也可能带来积极的影响。光电导增益（G）作为光电器件的关键参数，是放大光子信号的能力的体现。作者指出，通过有效捕获和利用缺陷引起的载流子，可以实现光电导增益的提升。具体而言，他们利用表面缺陷捕获光生载流子，并在器件中实现了“循环增益机制”，从而显著增强了光电探测器的性能。图2B展示了这种机制的示意图，当光子能量高于半导体带隙时，会产生电子空穴对，电子被困在半导体/金属界面上，其寿命远远长于自由空穴的传输时间。未配对的空穴被输运且收集到阴极，导致收集到的空穴数量远远超过最初光生载流子的数量。这种增益机制也被称为“循环增益机制”。

图2.钙钛矿薄膜中的表面缺陷和捕获机制。

接着，作者通过巧妙设计器件结构，进一步提升了光电探测器的性能。通过延长载流子寿命和减小载流子传输时间，他们成功地增大了光电导增益。此外，他们还优化了半导体材料的质量，确保了光的充分吸收，从而提高了外部量子效率。值得一提的是，通过精心纯化钙钛矿前驱体，他们制备的光电探测器实现了创纪录的性能表现。由此制备的光电探测器实现了创纪录的光电导增益，达到了5000万，并且增益带宽积达到70 GHz。如图3所示，该器件的光电导增益和增益带宽积分别比当时所有报道的基于光电导机制的钙钛矿光电探测器高出5000倍和两个数量级。此外，该器件还具备超高灵敏度，其检测极限创纪录地下降至200个光子，较当时报道的钙钛矿光电探测器低50倍。

图3.钙钛矿光电探测器的创纪录性能。

【结论与展望】

该研究的突破在于重新审视了缺陷在光电器件中的作用，提出了一种全新的设计思路。通过充分理解和利用缺陷的积极影响，我们有望在未来设计出更加高效、灵敏度更高的光电器件。这一新的视角为光电器件领域的发展带来了新的思路和机遇，也将为我们理解光电子学的本质提供更深入的洞察。

【作者介绍】

Yu-Hao Deng (邓玉豪)博士，比利时根特大学BOF博士后研究员，主要研究方向为胶体量子点材料与光电器件以及钙钛矿材料表征与光电器件。邓博士之前已在《Nature》，《Advanced Materials》，《Nano Letters》，《Physical Review Letters》，《Advanced Science》等国际期刊上发表文章数篇。

【文献信息】

Deng, Y.-H. (2024), Identifying and Understanding the Positive Impact of Defects for Optoelectronic Devices. Adv. Sensor Res. 2300144. https://doi.org/10.1002/adsr.202300144