中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近年來(lái)，蓬勃發(fā)展的光電產(chǎn)業(yè)改變了世界，并延伸到生活諸多方面。其中，具有深紫外-可見(jiàn)-近紅外全光譜探測(cè)響應(yīng)光電探測(cè)器（PD）作為重要的光電元件，在日常生活中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通常，商業(yè)化的全光譜光電探測(cè)器主要基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，例如：可見(jiàn)-近紅外選擇硅（Si）基光電探測(cè)器、可見(jiàn)-短波紅外采用銦鎵砷（InGaAs）基光電探測(cè)器。然而，上述光電探測(cè)器需要復(fù)雜的蒸鍍制備工藝，且器件運(yùn)行暗電流及噪聲信號(hào)相對(duì)較大，使得探測(cè)性能有待進(jìn)一步提高。與此同時(shí)，由于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料具有較高的光反射系數(shù)和較淺的紫外光穿透深度，因此制備得到的光電探測(cè)器難以實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光高靈敏度探測(cè)。目前，最為成熟的實(shí)現(xiàn)深紫外-可見(jiàn)-紅外全光譜光電探測(cè)器制備方法主要基于紫外光電探測(cè)器與可見(jiàn)-紅外光電探測(cè)器兩者高度集成，然而受限于系統(tǒng)體積、成本及不同類(lèi)型光電探測(cè)器響應(yīng)能力的差異等問(wèn)題，阻礙了商業(yè)化的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，探索和開(kāi)發(fā)深紫外-可見(jiàn)-紅外高探測(cè)靈敏度全光譜光電探測(cè)器成為當(dāng)前領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
通過(guò)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)策略，利用不同波長(zhǎng)響應(yīng)材料協(xié)同作用，拓寬探測(cè)范圍，抑制器件暗電流，提高探測(cè)靈敏度的研究已被廣泛報(bào)道。但是，上述研究主要以拓寬光電探測(cè)器紅外響應(yīng)為目的，對(duì)于構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)后兩者界面處相互作用、電荷輸運(yùn)關(guān)系、器件機(jī)械性能及穩(wěn)定性、異質(zhì)結(jié)層厚度對(duì)器件性能的影響等方面缺乏理論及系統(tǒng)的深入探究。此外，利用熒光轉(zhuǎn)換材料吸收深紫外-紫外光后，發(fā)射出與光電探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)一致的可見(jiàn)或紅外光子，進(jìn)而增強(qiáng)器件紫外探測(cè)性能的策略備受關(guān)注。
近日，大連民族大學(xué)徐文教授和董斌教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建CsPbI?鈣鈦礦量子點(diǎn)（PQD）與PbS量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)，高效CsPbCI?:Cr3?，Ce3?，Yb3?，Er3?鈣鈦礦量子點(diǎn)（紫外光轉(zhuǎn)換近紅外光）量子剪裁聚光器（如圖1），實(shí)現(xiàn)深紫外到近紅外II區(qū)的全光譜（200-1700 nm）高響應(yīng)靈敏度，優(yōu)異穩(wěn)定性的寬帶光電探測(cè)器。相關(guān)研究成果以“Highly DUV to NIR-II responsive broadband quantum dots heterojunction photodetectors by integrating quantum cutting luminescent concentrators”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Light: Science & Applications上。
圖1 深紫外到近紅外II區(qū)的寬帶光電探測(cè)器
為了在光電探測(cè)器中獲得高性能和寬帶響應(yīng)，研究人員進(jìn)行了一系列光學(xué)和電氣實(shí)驗(yàn)。首先，為了提高鈣鈦礦量子點(diǎn)的性能，選擇鑭系元素離子 （Ho3?） 作為摻雜劑，摻入通過(guò)改進(jìn)的熱注射法制備的CsPbI?鈣鈦礦量子點(diǎn)，相關(guān)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。接著，研究人員通過(guò)與PbS量子點(diǎn)結(jié)合對(duì) CsPbI?：Ho3?鈣鈦礦量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了光學(xué)和電學(xué)分析，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。隨后，研究人員通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算了CsPbI?：Ho3?鈣鈦礦量子點(diǎn)和PbS量子點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)和光物理相互作用，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。
圖2 Ho3?摻雜的CsPbI?鈣鈦礦量子點(diǎn)
圖3 CsPbI?：Ho3?-PbS量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)的光電特性
圖4 CsPbI?：Ho3?- PbS量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)的DFT計(jì)算
最后，研究人員對(duì)該深紫外-可見(jiàn)-近紅外II區(qū)全光譜寬帶響應(yīng)光電探測(cè)器的性能進(jìn)行檢測(cè)，并基于其出色的探測(cè)性能，進(jìn)一步探索了該寬帶光電探測(cè)器的成像應(yīng)用，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。
圖5 光電探測(cè)器的性能及應(yīng)用
綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的深紫外-可見(jiàn)-近紅外II區(qū)全光譜寬帶響應(yīng)光電探測(cè)器，這項(xiàng)研究主要通過(guò)以下三方面進(jìn)行研究：1、通過(guò)稀土鈥離子（Ho3?）摻雜CsPbI?鈣鈦礦量子點(diǎn)來(lái)提高可見(jiàn)光區(qū)域響應(yīng)性能和器件穩(wěn)定性（400-700 nm）；2、通過(guò)具有近紅外吸收PbS量子點(diǎn)與可見(jiàn)光層復(fù)合實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)-近紅外II區(qū)波長(zhǎng)響應(yīng)（400-1700 nm）；3、通過(guò)稀土離子（Ce3?，Yb3?，Er3?）摻雜CsPbCI?:Cr3?鈣鈦礦量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效的近紅外（900-1700 nm）量子剪裁發(fā)射，其熒光量子效率為179%。進(jìn)一步將其構(gòu)建為熒光聚光器（LC）應(yīng)用于器件外層，實(shí)現(xiàn)高性能的紫外波長(zhǎng)響應(yīng) （200-400 nm）。最終，制備得到光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了200-1700 nm全光譜響應(yīng)，同時(shí)其整體器件探測(cè)性能超過(guò)1012 Jones，且具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性。
