高效垂直結構光電探測器研制成功

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近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光子實驗室的于偉利與羅切斯特大學郭春雷研究團隊合作針對基于鈣鈦礦多晶薄膜的光電探測器性能易受晶界和晶粒缺陷的影響這一問題，采用空間限域反溫度結晶方法，合成了具有極低表面缺陷密度的MAPbBr3薄單晶，并將該高質量的薄單晶與高載流子遷移率的單層石墨烯結合，制備出了高效的垂直結構光電探測器。

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　　近幾十年來，光電探測器受到學術界和工業(yè)界的廣泛關注，并被廣泛應用到光通信、環(huán)境監(jiān)測、生物檢測、圖像傳感、空間探測等領域。甲基銨鹵化鉛鈣鈦礦(CH3NH3PbX3, X=Cl, Br, I)是近年來興起的一種鈣鈦礦材料，因其具有直接帶隙、寬光譜響應、高吸收系數、高載流子遷移率、長載流子擴散系數等優(yōu)點，逐漸成為制備光電探測器的前沿熱點材料。目前，基于鈣鈦礦多晶薄膜的光電探測器性能距預期仍有一定的距離，一個主要原因在于載流子在界面的傳輸易受晶界和晶粒缺陷的影響。許多研究組嘗試將鈣鈦礦多晶薄膜與高遷移率二維材料相結合來提高器件的性能，并取得了一定的效果，但鈣鈦礦多晶晶界帶來的負面影響尚未解決。

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　　研究團隊利用空間限域反溫度結晶方法生長出的MAPbBr3薄單晶具有亞納米表面粗糙度且沒有明顯的晶粒界疇；可以結合高質量鈣鈦礦單晶合成技術和單層石墨烯轉移技術制備高性能的垂直結構光探測器。所制備的垂直結構光電探測器在室溫下具有較高的光電探測率(~ 2.02×1013 Jones)；在532 nm激光照射下，與純鈣鈦礦MAPbBr3單晶薄膜的光電探測器相比，鈣鈦礦-石墨烯復合垂直結構光電探測器的光電性能(光響應度、光探測率和光電導增益)提高了近一個數量級。載流子超快動力學研究證明該器件性能的提高主要歸因于高質量鈣鈦礦單晶的鈣鈦礦載流子壽命增長和石墨烯對自由電荷的有效提取及傳輸。相關結果已發(fā)表在Small(DOI: 10.1002/smll.202000733)上。

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　　這項研究將鈣鈦礦單晶材料和二維材料石墨烯有效結合在一起，利用二者在載流子產生、輸運方面的協同優(yōu)勢，實現了器件性能的大幅提升，展現了器件結構及能帶設計對器件性能的調控能力，揭示了載流子的有效提取和高效傳輸機制，為制備高性能鈣鈦礦光電探測器提供了一條新思路，也對鈣鈦礦-二維材料復合光電器件的研究和發(fā)展具有積極的推動作用。

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