近日，廈門大學與廈門市未來顯示技術研究院的研究團隊在鈣鈦礦窄帶光電探測器研究領域取得重要突破，在期刊《Laser & Photonics Reviews》上發(fā)表題為“Spin-deposited Ruddlesden–Popper Polycrystalline Perovskites for Large-Area High-Sensitivity Filterless Narrowband Photodetectors with Ultrafast Response Speed”的研究論文。通過對二維鈣鈦礦多晶薄膜的激子吸收和載流子擴散特性精確調控，結合電荷收集窄化機制在3.6 μm厚的薄膜中成功實現了高靈敏度快速響應的鈣鈦礦窄帶光電探測器，其窄帶特性可通過有機大分子進一步精確調控，并基于旋涂工藝制備了大面積窄帶傳感陣列實現色分辨成像，為低成本、大面積、高性能鈣鈦礦窄帶光電探測器的實際應用提供了新的技術路徑。
傳統(tǒng)的窄帶光電探測器依賴于寬帶探測器與窄帶濾光片的組合使用，不利于器件的小型化。鈣鈦礦光電探測器（PNPD）因其優(yōu)異光電性能、高缺陷容忍度、可室溫液相低成本制備等優(yōu)勢使其在制備高性能、大面積窄帶光電探測器上展現出巨大潛力。目前鈣鈦礦窄帶光電探測器主要通過電荷收集窄化（CCN）機制實現，通常需要厚度超過60 μm的單晶鈣鈦礦增加短波長光子產生的載流子復合，抑制短波長光響應，從而實現自濾波PNPD。然而鈣鈦礦單晶的制備過程繁瑣且耗時較長，同時其感光面積有限，難以滿足大面積制備的需求。
本研究采用一步旋涂法制備二維Ruddlesden–Popper (RP) 相鈣鈦礦多晶薄膜作為光電探測器的吸光層，成功實現了光譜響應半峰寬低至12.7 nm的高靈敏度快速響應的PNPD，所需鈣鈦礦層的厚度僅為3.6 μm。團隊發(fā)現，RP相鈣鈦礦天然形成的多量子阱結構使其具有明顯的窄帶激子吸收特性和有限的載流子擴散長度。此外，由于鈣鈦礦多晶薄膜表面和晶界處的缺陷密度較高，使得鈣鈦礦表面產生的激子復合增強，從而有效抑制短波光響應，實現窄帶探測。
圖1 鈣鈦礦多晶PNPDs的制備和窄帶響應機制示意圖
通過這一創(chuàng)新策略，研究團隊可進一步通過改變RP相鈣鈦礦中有機大分子烷基鏈的長度，實現窄帶響應特性和器件性能的精細調控。其中，最優(yōu)器件的綜合性能（峰值比探測率：1.09 × 1012 Jones，上升/下降時間：5.6/11.5 μs）顯著優(yōu)于已報道的同類型鈣鈦礦窄帶光電探測器。更值得關注的是，基于旋涂工藝的制備優(yōu)勢，研究團隊成功制備了由6 × 6個PNPD組成的大面積傳感陣列（有效面積4 cm2），該傳感陣列上的36個PNPD表現出均勻的器件光響應并成功實現了清晰的窄帶成像，且弱光響應良好，驗證了該窄帶探測方案的可擴展性。
圖2 通過鈣鈦礦的組分調節(jié)實現可見光范圍內窄帶探測范圍可調的PNPDs及大面積傳感陣列在弱光下的色分辨成像
研究團隊通過精確調控二維鈣鈦礦多晶薄膜的激子吸收與載流子擴散特性，結合電荷收集窄化機制，成功制備了高靈敏度、快速響應的窄帶光電探測器，并實現了清晰的弱光色分辨成像。該研究為低成本、大面積、高性能鈣鈦礦窄帶光電探測器的實際應用提供了重要技術支撐，有望推動其在光電探測領域的廣泛應用。團隊長期致力于高性能半導體光電器件的研究，近年來，已在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Laser Photonics Rev.、IEEE EDL等權威期刊發(fā)表了多篇研究成果。
本工作由廈門大學、廈門市未來顯示技術研究院張榮院士團隊完成，電子科學與技術學院陳孟瑜助理教授為該論文的通訊作者。電子科學與技術學院博士生盧麗華為第一作者。這項工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2022YFF0609504）、福建省自然科學基金（2024J01055）的資助。
（來源：廈大科創(chuàng)夢工廠）
