亮点 | 利用钙钛矿微米线异质结构，实现高性能偏振敏感光电探测

Photonics Research 2023年第12期Editors’ Pick：

Shun-Xin Li, Jia-Cheng Feng, Yang An, Hong Xia. Flexible, self-powered, and polarization-sensitive photodetector based on perovskite lateral heterojunction microwire arrays[J]. Photonics Research, 2023, 11(12): 2231

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偏振敏感光电探测器可用于对光的偏振状态进行有效检测，广泛应用于光通信、光学成像、天文观测、生物医学影像学等领域，具有重要的应用价值和研究意义。近年来，钙钛矿材料的兴起为高性能光探测开辟了一条道路。钙钛矿与其他材料形成的异质结光电探测器可应用于成像、探测和传感等领域。然而，令人遗憾的是目前基于两种钙钛矿材料形成横向异质结进行光探测应用仍存在一些限制因素，如不同钙钛矿材料间的匹配、生长控制和界面对齐等，这些不利因素直接限制了光电探测器的性能。吉林大学夏虹教授团队计了一种钙钛矿选区阴离子交换的方案，成功制备了高质量的微线横向异质结构。得益于高质量的晶体和异质结界面，该光电探测器件具有748 AW^-1的响应度和8.2×10¹² Jones的检测度。此外，该器件还展示了很高的偏振敏感性和器件稳定性，二向色性比为5.6。经过144天的暴露于空气中，器件仍保持81%的性能。该工作为设计和制备高效稳定的偏振敏感钙钛矿光电探测器提供了新的方案，有望推动器件应用的进一步发展。

——孙皓副研究员，清华大学

Photonics Research 青编委

随着光电探测器在传统传感、通信和成像领域以及新兴领域（如柔性机器人和人工智能）中的应用不断扩展，对光电探测器的需求也日益增加。特别是对于一些新的应用场景，光电探测器的自供能能力和对偏振等信息的敏感性变得尤为重要。然而，基于单组分活性层的光电探测器很难同时满足所有这些要求。相比之下，采用精心构造成异质结构的具有不同光电特性的材料、是实现光电探测器多重优势的一种非常有效的手段。通过将不同光电性能的材料组成异质结构，可以充分利用各种材料的优势，并实现光电探测器的灵活性、自供能能力和对偏振信息的敏感性。这种方法为光电探测器的设计和性能提升提供了新的可能性，有望推动光电探测器在各个应用领域的进一步发展。

尽管钙钛矿与其他材料异质结构实现了多种高性能的光电探测器并广泛地应用于成像、探测和传感等领域，但是将两种钙钛矿材料完美地拼接成横向异质仍然具有挑战性。针对传统无机半导体的横向异质结的制备方法难以直接应用于对溶剂和环境敏感的钙钛矿材料。此外，溶液法制备横向异质结的过程中，先沉积的材料极易被后续溶剂所溶解。针对钙钛矿横向异质结制备过程中的溶剂正交性问题，该团队设计了一种选区阴离子交换的方案，制备高质量的钙钛矿微线横向异质结构。得益于高的晶体质量和完美缝合的异质结界面，所制备的光电探测器件表现出748 AW^-1的响应度（R）和8.2×10¹² Jones的检测度（D）。此外，该器件还展示了很高的偏振敏感性，二向色性比为5.6。经过144天的暴露于空气中，器件仍保持81%的性能。相关研究成果发表于Photonics Research2023年第12期。

选区阴离子交换制备钙钛矿微线横向异质结构流程如图1（a）所示。PDMS模板与衬底形成的互不干扰的微米通道阵列将前驱体溶液的流动方向和位置进行了精细的调整和限制。待溶剂逐渐挥发完全后，相互独立的液条阵列转变成相互独立的晶体阵列。利用钙钛矿可重构的阴离子键的特点，简单地通过阴离子交换实现高质量异质结构。为了实现区域选择性阴离子交换，PDMS的一半被揭下使得高质量的微米线被暴露，另一半留在晶体上面避免粒子交换。随后，将这个体系暴露在HI环境中。随着暴露时间增长，被暴露在HI气氛中的(PEA)₂PbBr₄晶体中的Br逐渐被I替代形成(PEA)₂PbBr_4-xI_x，而被PDMS保护的晶体则未有成分变化。替代过程完成后，将另一半PDMS膜撕下得到高质量且高度有序的(PEA)₂PbBr₄—(PEA)₂PbBr_4-xI_x横向异质结阵列带有清晰的界面。

图1（a）选区阴离子交换制备钙钛矿微米线横向异质结构流程示意图；（b）横向异质结基光电探测器在不同探测光强度照射下的光电流和R值；（c）器件在不同偏振状态光照射时的光电流变化曲线；（d）器件在空气中储存不同时间后光电流变化情况

基于这种高质量的横向异质结，所制备的光电探测器R值高达748 AW^-1（5 V）和13.5 AW^-1（0 V）。对于线偏振光，器件的二向色性比为5.6。此外，该光电探测器在空气中暴露长达一月后仍能保持86%的性能。

该研究的通讯作者夏虹教授表示：“在许多实际应用中，光的偏振状态包含着有用的信息。偏振是指光波振动方向的定向性，而偏振状态对于光的传播、反射和吸收过程都具有重要影响。因此，对光的偏振状态进行敏感检测可以帮助获取更多关于光的信息，进而扩展光学技术和传感应用的范围。偏振敏感性光电探测器可以用于测量光的偏振状态，从而应用于光通信、光学成像、天文观测、生物医学影像学等领域。因此，偏振敏感性光电探测器的重要性在于它们可以助力更全面地理解和应用光的偏振信息，从而推动光学技术在各个领域的发展和应用。钙钛矿横向异质结构不仅能够实现高性能光电探测器，还有利于提升光电探测器的偏振敏感性。”

夏虹教授还表示：“钙钛矿横向异质结构的制备之所以具有一定的挑战性，主要有以下几个方面的原因：材料匹配、生长控制和界面对齐。钙钛矿材料通常是由不同的金属离子组成，而不同的金属离子会导致晶格结构和物理性质的变化。因此，在制备钙钛矿横向异质结构时，需要考虑到材料之间的匹配性，以确保在界面处形成良好的结晶和接触。钙钛矿材料的生长过程受到许多因素的影响，如温度、压力、溶液浓度、溶剂选择等。要获得高质量的钙钛矿横向异质结构，需要精确控制这些参数以实现合适的生长条件。另外，钙钛矿横向异质结构的制备还需要考虑界面对齐的问题，因为不同材料的晶格结构和晶向可能不完全匹配。因此，制备钙钛矿横向异质结构具有一定的挑战性，需要精确控制晶体生长过程等关键因素。通过选择区域阴离子交换的方案，可以制备高质量横向异质结阵列，并推动其在光电器件中的应用。”

后续团队将优化横向异质结的成分，例如使用无铅钙钛矿制备横向异质结，实现环境友好型的光电器件。团队还将研究阴离子交换过程中的物理和化学机制，为实现高性能偏振敏感型光电探测器奠定基础。