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光电学院孟祥悦课题组在锡基钙钛矿光电探测器方面取得新进展

  • 文/图 刘天华
  • 日期:2024-03-16
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光电探测器将入射光转换为可调制的电信号,在自动驾驶、健康监测、生物医学成像、光通信、军事安全和夜视等领域具有重要的作用。然而,市面上的光电探测器主要由无机半导体制成,如 Si、Ge 和 InGaAs等。这些半导体具有高温加工和柔性不兼容的缺点。最近,有机无机杂化钙钛矿材料因其固有的特性,如灵活性、溶液加工性、低成本、可调带隙、高吸收系数、低激子结合能、高载流子迁移率和长载流子扩散长度等,已成为光电探测的理想候选材料。目前,大多数高性能的钙钛矿光电探测器都含有铅。但是由于铅的固有毒性,它无法应用于可穿戴电子设备、医疗监测和生物成像。在无毒的钙钛矿材料中,锡基钙钛矿因其宽的吸收光谱、低的激子结合能和高的载流子迁移率而表现出最大的潜力。然而,先前报道的无铅钙钛矿光电探测器都存在暗电流大、响应时间慢和探测率低等问题。


近日,中国科学院大学光电学院孟祥悦教授课题组及其合作者,首次发现通过氰基上具有孤对电子的N可以Sn2+配位,进而抑制Sn2+的氧化。通过在FASnI3钙钛矿的前驱体溶液中引入具有氰基基团的2-氰乙基-1-碘化铵添加剂后,Sn2+的氧化被抑制。所得到的薄膜表现出低的非辐射复合和缺陷态密度。基于此薄膜的自供电光电探测器,表现出低的暗电流(1.04×10-9 A cm-2),高的探测率(2.2×1013 Jones),快的响应速度(2.62 µs)和良好的稳定性。在加入2-氰乙基-1-碘化铵分子后,器件的暗电流下降了接近一个数量级。通过抑制Sn2+氧化所增加的激活能被认为是暗电流下降的主要原因。此外,柔性光电探测器也表现出杰出的性能。由于杰出的自驱动光探测性能,光电探测器在0偏压和弱光的条件下被用于可穿戴人体健康监测。最终,光电探测器与32×32的薄膜晶体管背板集成,实现极弱光(170 nW cm-2)成像。


本工作首次报道了氰基基团来抑制Sn2+的氧化通过测试热激活载流子活化能,Sn2+氧化与光电探测器暗电流的关系被建立。所得到的光电探测器被用于可穿戴健康监测和弱光成像。这一成果近期发表在Advanced Materials上,孟祥悦教授是文章的通讯作者,课题组博士研究生刘天华为文章第一作者。

论文信息:

Cyano-coordinated Tin Halide Perovskites for Wearable Health Monitoring and Weak Light Imaging

Tianhua Liu, Junfang Wang, Yongsi Liu, Liangliang Min, Lixia Wang, Ziquan Yuan, Haoxuan Sun, Le Huang, Liang Li, Xiangyue Meng

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202400090