2017年11月20日
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余林蔚教授、徐翔星教授课题组在硅基径向结无机钙钛矿量子点异质杂化高速紫外日盲探测器件研究的新进展

紫外日盲探测是环境监控、火焰探测和远程预警响应等应用的核心技术。目前,绝大多数紫外日盲探测器件基于昂贵且的III-V 族晶体材料。如能利用大面积、低成本的硅基薄膜技术制备灵敏的深紫外探测,将有助于提升日盲光谱信号空间探测与成像的分辨率,大幅降低器件应用成本,并推动其在安全环境监控领域的广泛应用。由于硅基薄膜和透明导电层(如ITO薄膜)对深紫外信号的吸收非常强,在通常的硅基p-n或p-i-n结区光电结构中,日盲光子信号根本无法穿透表面的ITO导电层或者重掺杂硅层从而到达在光电活性的本征i层实现有效的光电吸收与探测。一个有效的途径是在器件表面将高能光子吸收,然后剪裁转化(down-conversion)为较低能量的光子信号进入硅基p-n结区实现探测。为此,南京大学余林蔚教授课题组与南京师范大学徐翔星教授课题组共同探索了一种新颖高效的无机铯系钙钛矿量子点(Inorganic perovskite CsPbX3 , X = Cl, Br, I, or hybrid quantum dots, IPQDs)与硅纳米线径向结(Silicon Nanowire Radial p-i-n Junction)杂化薄膜日盲探测器件构架,其中IPQDs量子点具有优异的紫外光电吸收和量子转化效率。将其均匀布置在三维(3D)构架的硅纳米线径向结薄膜电池结构的表面,可将日盲信号直接转化为径向非晶硅p-i-n结区最优化波长(~500 nm附近)实现灵敏吸收探测。而3D构架径向结中特有的强陷光和近场增强效应对于实现高效的IPQDs光电转换也至关重要,另外,针对快速探测需求,径向结中本征结区厚度可从平面结的300 nm降到仅仅80 nm优化,从而有利于光生载流子的快速吸收和响应。基于此技术,最终实现了可大面积低成本制备和应用的硅基薄膜日盲探测器件:在200 nm深紫外获得了>50m A/W的响应度,目前已经实现了较快的日盲光电探测(上升和下降时间沿为0.48 ms/1.03 ms),并还有较大进一步提升空间。同时,由于采用无机铯西量子点结构,探测器件不需要特殊封装即可稳定工作1000小时以上,从而将大面积硅基薄膜光电应用成功推进到通常为小面积III-V族(如GaN等)半导体所垄断的日盲探测领域,为大幅度降低成本和规模化应用推广奠定了关键基础。

硅基径向结无机钙钛矿量子点异质杂化高速紫外日盲探测器件示意图。

该工作“Ultrafast Solar-Blind Ultraviolet Detection by Inorganic Perovskite CsPbX3 Quantum Dots Radial Junction Architecture”,Advanced Materials,DOI 10.1002/adma.201700400(2017)近期上线发表于《先进材料》上, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201700400/full。研究生陆嘉文和盛雪曦同学为共同贡献第一作者。余林蔚教授与徐翔星教授为共同通讯作者。此工作受到自然科学基金委NSFC(61674075,11274155,51572120),973项目(2014CB921101, 2013CB632101, 2013CB932900), 江苏省杰出青年基金(No.BK20160020), 江苏省科学技术支持项目(No.BE2014147-2),江苏省双创团队及人才项目,中央高效基础研究基金和江苏省重点光电实验室基金的资金支持。

(电子科学与工程学院 科学技术处)