本文介绍了一项关于自供电全无机钙钛矿微晶光电探测器（photodetectors, PDs）的研究，该研究由Hai Zhou、Junpeng Zeng、Zhaoning Song等作者共同完成，分别来自美国托莱多大学（University of Toledo）和中国湖北大学（Hubei University）。该研究于2018年4月5日发表在《Journal of Physical Chemistry Letters》期刊上。
研究背景
近年来，有机-无机卤化铅钙钛矿材料因其在光伏太阳能电池、发光二极管（LEDs）、光电探测器（PDs）和激光器等领域的成功应用而备受关注。这些材料具有超快的电荷生成、高吸收系数、缺陷容忍度以及较大的载流子迁移率等优异特性。然而，有机-无机钙钛矿材料在氧气和水分作用下的不稳定性限制了其商业化应用。相比之下，全无机钙钛矿材料（如CsPbX3，X = Cl, Br, I）因其更高的热稳定性而成为研究热点。尽管全无机钙钛矿材料在光电探测器领域取得了显著进展，但基于多晶薄膜的PDs仍存在载流子迁移率低和陷阱态密度高的问题，限制了其性能。单晶钙钛矿材料虽然表现出更高的性能，但其制备工艺复杂，难以实现大面积薄膜的合成。因此，研究团队提出了一种基于微晶（microcrystals, MCs）的解决方案，旨在通过简单的溶液合成方法制备高性能的自供电全无机钙钛矿光电探测器。
研究流程
研究团队采用了一种改进的溶液合成方法，制备了基于CsPbBr3微晶的自供电光电探测器。具体流程如下：
材料制备：
- SnO2薄膜制备：通过等离子体增强原子层沉积（plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD）技术在ITO（氧化铟锡）基底上沉积SnO2电子选择性层（electron selective layer, ESL）。
- CsPbBr3微晶制备：采用改进的反向温度结晶法（inverse temperature crystallization method），在SnO2涂层基底上直接生长CsPbBr3微晶。通过控制溶液的温度和搅拌条件，获得了尺寸约为10 μm的微晶，薄膜厚度约为11 μm。
器件制备：
- 在CsPbBr3微晶层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）填充空隙，随后沉积空穴选择性层（hole selective layer, HSL）Spiro-OMeTAD。
- 最后通过热蒸发法沉积50 nm厚的金（Au）电极，形成完整的器件结构：玻璃/ITO/PEALD-SnO2/CsPbBr3微晶/Spiro-OMeTAD/Au。
性能测试：
- 通过扫描电子显微镜（SEM）观察微晶薄膜的表面形貌和截面结构。
- 使用X射线衍射（XRD）确认CsPbBr3微晶的相纯度和晶体结构。
- 通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）测量薄膜的光学吸收特性。
- 使用Keithley 2401源表测量器件的电流-电压（I-V）特性，评估其光电性能。
- 通过瞬态光电压（transient photovoltage, TPV）测量研究器件的光生载流子动力学。
主要结果
微晶薄膜特性：
- SEM图像显示，CsPbBr3微晶尺寸约为10 μm，薄膜厚度为11 μm，微晶之间相互连接，形成了高质量的薄膜。
- XRD分析证实了CsPbBr3微晶的正交晶系结构（空间群Pnma）。
- 光学吸收光谱显示，CsPbBr3微晶薄膜在554 nm处具有尖锐的吸收边，直接带隙为2.24 eV。
器件性能：
- 在473 nm激光（100 mW）照射下，CsPbBr3微晶光电探测器表现出优异的光电性能：响应度（responsivity, R）高达0.172 A W⁻¹，探测率（detectivity, D*）高达4.8 × 10¹² Jones，开关比（on/off ratio）高达1.3 × 10⁵，线性动态范围（linear dynamic range, LDR）高达113 dB。
- 器件的暗电流极低，噪声电流仅为几纳安，表现出良好的光电二极管特性。
- 瞬态光电压测量显示，器件的光生载流子寿命为10.78 ms，远高于多晶薄膜器件的7.6 μs。
结论
该研究成功制备了基于CsPbBr3微晶的自供电光电探测器，其性能显著优于基于多晶薄膜的器件，并与单晶钙钛矿器件相当。研究结果表明，通过简单的溶液合成方法可以制备高性能的钙钛矿光电探测器，为其商业化应用提供了新的可能性。
研究亮点
- 高性能光电探测器：CsPbBr3微晶光电探测器在无偏压条件下表现出优异的响应度、探测率和线性动态范围，性能优于多晶薄膜器件。
- 简单的制备工艺：研究团队采用改进的溶液合成方法，实现了高质量微晶薄膜的制备，工艺简单且可扩展。
- 低陷阱态密度：CsPbBr3微晶薄膜的陷阱态密度低至2.8 × 10¹² cm⁻³，显著低于多晶薄膜的10¹⁶ cm⁻³，有助于提高器件的光电性能。
研究意义
该研究为全无机钙钛矿光电探测器的开发提供了新的思路，展示了微晶材料在高性能光电探测器中的潜力。通过简单的溶液合成方法，研究团队成功实现了高性能器件的制备，为钙钛矿光电探测器的商业化应用奠定了基础。此外，该研究还为其他基于钙钛矿材料的光电器件提供了重要的参考。