【引言】

為了獲得具有高靈敏度和快速響應(yīng)的高性能光電探測(cè)器(PD)，器件中的功能層需要具備高吸收系數(shù)、低陷阱態(tài)密度、足夠的擴(kuò)散長(zhǎng)度以及較高的載流子遷移率。目前，全無(wú)機(jī)鹵化物鈣鈦礦(HP)CsPbBr₃單晶載流子擴(kuò)散速度較快，其載流子遷移率超過(guò)140 cm²·V^-1·S^-1，陷阱密度低至109 cm^-3。基于上述單晶的PD顯示出高響應(yīng)度(R)和寬線性動(dòng)態(tài)范圍(LDR)。然而，CsPbBr₃單晶的尺寸和厚度難以控制，其受到加工溫度、底層表面能、溶劑和前驅(qū)體復(fù)合物的極大影響，進(jìn)而延長(zhǎng)了傳輸時(shí)間并加劇了光電探測(cè)中的載流子復(fù)合。與單晶相比，溶液加工所得的多晶薄膜具有簡(jiǎn)單、可控以及可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，在鈣鈦礦光電器件大規(guī)模制造和工業(yè)化中具有巨大潛力。但迄今為止，CsPbBr₃多晶薄膜的質(zhì)量通常較差，其載流子遷移率低、缺陷密度高，以致器件性能較差。因此，利用溶液策略制備具有低陷阱態(tài)密度和高載流子遷移率的CsPbBr₃多晶膜并將其應(yīng)用于高性能PD仍然存在著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，南京理工大學(xué)曾海波教授、李曉明教授、湖北大學(xué)王浩教授(共同通訊作者)等通過(guò)在有序聚苯乙烯球模板的間隙內(nèi)冷凍前體溶液的限域生長(zhǎng)策略克服了溶解度低和晶體快速生長(zhǎng)缺點(diǎn)，所得致密CsPbBr₃多晶薄膜在化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)后具有低陷阱密度(3.07×10¹² cm^-3)和高載流子遷移率(9.27 cm²·V^-1·s^-1)。上述成果以題為“Space-Confined Growth of CsPbBr₃ Film Achieving Photodetectors with High Performance in All Figures of Merit”的研究論文發(fā)表于Adv. Funct. Mater.。基于上述CsPbBr₃薄膜的光電探測(cè)器在所有測(cè)試指標(biāo)中均表現(xiàn)出色。特別的，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)216 A·W^-1的高響應(yīng)度和超短響應(yīng)時(shí)間(<5 μs)，相比所有CsPbBr₃基光電探測(cè)器更好。還實(shí)現(xiàn)了7.55×10¹³檢測(cè)限以及-3 dB時(shí)帶寬3.1×10⁵ Hz的記錄。該工作為高品質(zhì)全無(wú)機(jī)鹵素鈣鈦礦多晶薄膜打開(kāi)了大門，可將其擴(kuò)展應(yīng)用于更多光電器件，包括太陽(yáng)能電池、光電極和射線探測(cè)器。

【圖文簡(jiǎn)介】

圖1 CsPbBr₃薄膜的制備及其形貌

a) CsPbBr3薄膜的傳統(tǒng)制備過(guò)程示意圖；
b) CsPbBr3薄膜的限域制備過(guò)程示意圖；
c) CsPbBr3 IO(inverse opal，反蛋白石)薄膜的大區(qū)域頂視SEM圖像。

圖2 傳統(tǒng)CsPbBr₃薄膜和CsPbBr₃ IO薄膜的結(jié)構(gòu)、電子性能比較

a) XRD圖譜；
b) 室溫下、石英基底上的PL光譜；
c) 黑暗下以及442 nm激光照射下的對(duì)數(shù)I–V曲線；
d) 偏壓1 V時(shí)的靈敏度光譜。

圖3 前驅(qū)體比例調(diào)控對(duì)結(jié)構(gòu)、光學(xué)及電子性質(zhì)的影響

a) XRD圖譜；
b) PL衰減曲線，內(nèi)插為PL光譜；
c) 石英基底上四種PbBr2:CsBr比例(0.8, 1.0, 1.2, 1.4)的CsPbBr3 IO薄膜的吸收光譜及相應(yīng)的Urbach能(內(nèi)插)；
d) CsPbBr3 IO薄膜缺陷態(tài)密度和載流子遷移率隨PbBr2:CsBr比例的變化。

圖4 不同前驅(qū)體比例對(duì)CsPbBr₃ IO薄膜光電探測(cè)性能的影響

a) 5 V 偏壓下開(kāi)關(guān)比隨PbBr2:CsBr比例的變化；
b) 根據(jù)光電流響應(yīng)曲線所得的響應(yīng)時(shí)間；
c) 5 V偏壓下的檢測(cè)限；
d) 計(jì)算所得靈敏度。

圖5 CsPbBr₃ IO薄膜的實(shí)際應(yīng)用

a) 5 V偏壓下CsPbBr3 IO薄膜(PbBr2:CsBr = 1.2)光電探測(cè)器光電流隨功率的變化；
b) 1 V偏壓下器件的-3 dB帶寬。

【小結(jié)】

綜上所述，作者利用基于有序PS模板的限域生長(zhǎng)策略克服了由前驅(qū)體溶解度低引起的成膜問(wèn)題。CsPbBr₃反蛋白石(IO)薄膜在限域生長(zhǎng)作用下，不僅具有優(yōu)異的吸收系數(shù)，而且在晶粒、擇優(yōu)取向和薄膜密度方面也具有顯著的改善。特別的，具有優(yōu)化比例(PbBr₂：CsBr = 1.2)的高度有序CsPbBr₃ IO薄膜表現(xiàn)出低陷阱態(tài)密度(3.07×10¹² cm^-3)和高載流子遷移率(9.27 cm²·V^-1·s^-1)，在全無(wú)機(jī)HP多晶薄膜中尚屬首例。基于CsPbBr₃ IO膜的光電探測(cè)器具有216 A·W^-1的高響應(yīng)度以及5 μs內(nèi)的短響應(yīng)時(shí)間。該工作證實(shí)了限域生長(zhǎng)策略有助于改善CsPbBr₃薄膜質(zhì)量，所得薄膜在光電器件領(lǐng)域具有更多潛在的應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：Space-Confined Growth of CsPbBr₃ Film Achieving Photodetectors with High Performance in All Figures of Merit (Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804394)