第一作者：董顺洪
通讯作者：郑庆东教授
通讯单位：南京大学
https: //doi.org/10.1021/acsnano.5c183512
全文速览
自供电光电探测器无需外部电源即可工作，因而在可穿戴电子、环境监测和智能传感等领域受到越来越多的关注。近年来，三维金属卤化物钙钛矿单晶异质结因其优异的光电性能和可调控的界面特性，被认为是构建自供电光电探测器的理想候选材料。其工作机制依赖于光生载流子的分离与传输，而这些过程通常发生在异质结界面处。然而，钙钛矿材料本征上较低的离子扩散势垒以及晶体各向异性，使其在异质外延生长过程中极易发生严重的阴离子互扩散以及由晶格失配引起的界面应力积累。这种不稳定性不仅破坏异质结的结构完整性，还会增加界面缺陷态密度，从而加速载流子损失，降低响应度、转换效率及响应速度。为克服上述问题，研究逐渐转向具有相似化学组成和兼容晶体结构的混合维度钙钛矿异质结。其中，0D/3D 异质结因具备优异的晶格匹配性和成分可调性，在应变释放和界面稳定性方面展现出独特优势。在此类结构中，0D 组分可作为外延模板，引导 3D 钙钛矿的取向生长，同时抑制卤素迁移与界面合金化。这种协同效应有助于实现有效的缺陷钝化并提升结构稳定性。
尽管取得了上述进展，高质量、大面积且具有良好取向的 0D/3D 单晶异质结薄膜仍难以实现。其制备难点源于异质结生长过程中多个非平衡动力学过程的复杂耦合，包括高纯晶相的定向成核、可控且连续的长程有序外延生长，以及稳定异质界面的精确构筑。0D 与 3D 组分在晶体对称性、热力学稳定性、表面能及成核行为方面的内在差异，使其协同生长更加复杂。因此，外延生长过程中常出现成核不均、多方向生长及应力积累，导致形成岛状结构、多晶区域或界面裂纹，从而降低薄膜连续性与晶体质量。此外，在热条件下，0D 相易发生向 3D 相的可逆转变，进一步引发界面不稳定及元素互扩散，削弱异质结的结构稳健性。更为重要的是，传统溶液法由于缺乏几何限域，难以精确调控横向取向及垂直堆叠，导致所得单晶异质结薄膜表面粗糙、形貌不均且晶界密集。这不仅增加器件制备难度，还在转移过程中引入大量杂质缺陷。同时，溶剂效应及界面张力会促进非期望相的形成及表面空位的积累，驱动形貌的无序演化和界面无序，从而降低器件的重复性与均一性。因此，突破这些内在限制，实现连续、长程有序、高质量的大面积 0D/3D 单晶异质结构薄膜，对于推动高性能、多功能集成的新一代光电器件发展至关重要。
在本工作中，我们提出一种空间限域策略，利用常压化学气相沉积（APCVD）方法，在 ITO 基底上原位生长英寸级 CsPbBr₃（3D）–Cs₄PbBr₆（0D）单晶异质结薄膜。所得 3D/0D 单晶异质结薄膜面积达 6.25 cm²，具有清晰界面，并沿（011）和（001）晶面实现取向生长。X 射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）及光学表征结果表明，该单晶异质结薄膜具有优异的结晶质量与高度均一性。有趣的是，3D 与 0D 组分之间的表面电势差诱导了不对称的 Br⁻ 分布，从而重构空间电荷并实现对 3D 组分中卤素空位的动态钝化，增强电场调控能力并抑制缺陷。实验结果表明，该异质结钙钛矿光电探测器在零偏压下表现出显著的自供电特性，同时具备低缺陷密度和高载流子迁移率。得益于此，3D/0D 异质结自供电光电探测器实现了高达 85.56 A·W⁻¹ 的响应度及优异的探测稳定性。此外，该异质结还表现出显著的热电势增强光电流行为，响应时间快至 8.15 μs/21.32 μs。为进一步验证其实用潜力，我们构建了一个 10 × 20 的传感器阵列。
图文导读
文章链接
Shunhong Dong Jie Huang, Fangcong Zhang, Wenwu Zhou, Huiting Fu, Qingdong Zheng. Highly Oriented Inch-Scale Monocrystalline 0D/3D Perovskite Heterojunction Films via Vapor-Phase Epitaxy for Self-Powered Photodetectors, ACS Nano, https://doi.org/10.1021/acsnano.5c18351.
