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《最薄的光电探测器在韩问世》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 姜山
  • 发布时间：2017-01-10

  • 韩国基础科学研究院YU Woo Jong率领的研究团队利用二硫化钼（MoS2）与石墨烯形成的三明治结构，开发出世界上最薄的光电探测器，厚度仅为1.3 nm，是当前标准的硅二极管的1/10，有望用于物联网、智能设备、可穿戴电子产品和光电子产品等。

    研究人员在两个石墨烯薄层之间放置一层二维半导体MoS2，并置于Si衬底上。实验意外发现，当光线照射时，有光电流产生。通过对比一层MoS2和七层MoS2器件，并测试其作为光电探测器的性能表现，结果显示，带有一层MoS2的器件吸收的光更少，但光响应度更高。研究人员认为，这不能用经典电磁理论解释，而要用到量子物理学知识。当光束照射时，MoS2的部分电子升至激发态，流过器件产生电流。为了通过MoS2与石墨烯的边界，电子需克服能垒（通过量子隧穿），而这是单层MoS2器件相比于多层器件的优势所在。

  • 原文来源：www.ibs.re.kr
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    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-09-23
    • 南京大学物理学院彭茹雯教授和王牧教授研究组与北京大学马仁敏教授研究组等国内外五个单位合作，在柔性光电探测器的相关研究中取得重要进展。通过准静态溶液生长技术制备出厚度仅为20纳米的有机-无机杂化钙钛矿单晶薄膜，并基于此研制出超薄的高性能柔性光电探测器，有望推动柔性光电器件和可穿戴设备的发展，应用于仿生学、机器人科学以及医疗保健等领域。该研究成果以"Flexible Ultrathin Single-Crystalline Perovskite Photodetector"为题近日发表于国际著名学术期刊Nano Letters。 柔性光电探测器是可穿戴设备、可折叠显示器件、生物医学成像等系统中至关重要的有源器件。得益于高光学吸收系数、高载流子迁移率、可调节带隙等特性，有机-无机杂化钙钛矿材料在柔性光电器件中的应用已经有不少报道，但是，之前报道的此类器件大多基于多晶的杂化钙钛矿材料。与多晶材料相比，单晶杂化钙钛矿材料具有陷阱态密度低、载流子寿命长以及结构稳定性高等一系列优点。显然使用单晶钙钛矿材料有望进一步提高器件性能。但是由于单晶钙钛矿材料脆性大, 不易弯折，这类材料尚未在柔性光电探测器中得到广泛应用。 最近，彭茹雯教授和王牧教授研究组提出并研制出基于超薄的有机-无机杂化钙钛矿单晶薄膜的高性能柔性光电探测器。该研究组首先利用他们早期发展出的准静态溶液生长方法， 成功制备出有机-无机杂化钙钛矿（CH3NH3PbBr3）单晶超薄薄膜，其厚度可以降低至20nm。然后，创新性地构建出基于这种超薄单晶膜的柔性光电探测器（图一），并证实该光电探测器具有极其优秀的探测性能（图二）和柔性特征（图三）。 图一 构建基于超薄单晶有机-无机钙钛矿的柔性光电探测器 图二 超薄单晶有机-无机钙钛矿光电探测器的光电探测性能 图三 超薄单晶有机-无机钙钛矿光电探测器的柔性特征和性能稳定性 与之前报道的在可见光频段工作的其它柔性钙钛矿光电探测器相比，该杂化钙钛矿柔性光电探测器具有以下几个特点：第一，活性层厚度仅为20nm，是迄今最薄的杂化钙钛矿柔性光电探测器；第二，该光电探测器的响应率高达5600 A/W，比此前报道的其它杂化钙钛矿柔性光电探测器高出两个数量级。第三，该光电探测器具有0.2MHz的3dB带宽，实现了快速的光探测；此外，由于将钙钛矿薄膜的厚度降低至20nm，杂化钙钛矿在保持高光电转换效率的同时具有很好的机械柔韧特性，从而该柔性光电探测器在弯曲中能保持稳定的光电探测性能，其光电流和开关比等在弯曲过程中保持基本不变，等等。 值得一提的是，这种基于准静态溶液生长的制备技术可以全程在室温附近实现，具有简单的制备程序和低廉的制备成本，研制出的高性能柔性钙钛矿光电探测器可望集成于可穿戴设备和其它柔性光电子器件中，比如人造眼、柔性智能手机等等。该项研究丰富了超薄单晶杂化钙钛矿材料的制备手段，发展了高性能的杂化钙钛矿柔性光电器件，可望推动仿生器件、可穿戴智能设备、可折叠多功能设备等新型集成器件的研制，应用于仿生学、生物传感以及医疗保健等领域。 此项工作由南京大学彭茹雯和王牧、北京大学马仁敏、复旦大学包文中、天津理工大学王迪、南京信息工程大学苏静、美国西北大学孙成等国内外六个研究组合作完成。其中，南京大学物理学院应届博士毕业生景灏完成了大部分工作，他是该论文的第一作者。南京大学彭茹雯教授、北京大学马仁敏教授和南京大学王牧教授是该论文通讯作者。南京大学物理学院研究生何捷、周易、李成尧、刘雨和应届博士毕业生朱瑛莺也参与了该工作。该项研究受到国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。
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  • 《深圳先进院成功开发超灵敏光电探测器》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-04-19
    • 中国科学院深圳先进技术研究院材料界面研究中心李佳副研究员团队在超灵敏光电探测器研究领域取得重要进展。研究团队巧妙地设计了一种新型的复合式分层有机光电晶体管结构，在充分利用电荷俘获效应的同时兼顾了高效的电荷分离和输运，从而实现了光电探测性能的大幅提升。相关成果“基于新型复合式分层结构有机光电晶体管的超灵敏光电探测”（A Novel Hybrid-Layered Organic Phototransistor Enables Efficient Intermolecular Charge Transfer and Carrier Transport for Ultrasensitive Photodetection ）以深圳先进院为第一通讯单位发表于期刊Advanced Materials（Adv. Mater. 1900763, 2019，影响因子21.95）。论文第一作者是材料界面研究中心研究助理高源鸿，共同通讯作者是北京大学深圳研究生院王新炜研究员。 　　有效调控和平衡光生载流子的分离、传输与复合对于实现高灵敏光电探测器至关重要。 传统的有机光电晶体管大多基于单一的层异质结或体异质结结构，前者中给、受体分别以层状薄膜叠加的形式构成，后者中给、受体材料共混形成光电转换活性层。尽管以上结构为我们提供了较优异的光电探测性能，但是它们都很难同时兼顾光生激子的高效分离、传输以及较低的激子复合率，这严重限制了光电晶体管光探测性能的进一步提升。 　　为解决以上问题，研究团队首次提出了一种新颖的复合式分层光电晶体管结构，该结构由用于载流子高效传输的C8-BTBT沟道层、高效的C8-BTBT:PC61BM体异质结光活性层以及二者之间的超薄MoO3空穴传输层组成（图1）。在光活性层中产生的激子在体异质结处被有效分离，产生的电子被受体PC61BM捕获(CTE效应)，空穴则注入沟道层，无机MoO3可以进一步促进空穴的注入并阻挡电子，从而有效地抑制电子-空穴复合。更进一步，具有高迁移率的C8-BTBT沟道层为空穴的传输提供了畅通无阻的“高速公路”，空穴在沟道中得以自由和高速地传输。因此，通过对光生激子的产生、分离、传输以及复合抑制的各个环节进行巧妙设计和优化，最终实现了光电晶体管光探测性能的大幅提升，光敏性photosensitivity (Ilight/Idark)达到2.9×106 ，光响应性(Photoresponsivity)达到8.6×103 A/W，光探测率(Detectivity)为3.4×1014 Jones，在弱光照射下(32μW/cm2)，外部量子效率为3×106 %。 　　不仅如此，在器件应用层面，研究团队利用这一新颖结构，制备了柔性的光电探测器件，并通过弯曲实验验证了该结构在柔性器件中良好的可靠性(图2a)。与此同时，研究团队也制备了光电晶体管的阵列结构，验证其在光成像应用中的优异潜力(图2b)。 　　这一工作中提出的器件结构设计思路，铺设了一条通往高性能有机光电晶体管的新路径。为实现高性能(柔性)光电探测器以及光成像器件，提供了重要的设计思路和实现方法。不仅如此，此结构具有非常优异的普遍适用性，为从紫外到近红外宽光谱范围的高性能光电探测器以及其他相关有机光电器件的电子、光电原理性探索以及器件应用开发提供了崭新的研究平台。 　　该项研究得到了广东省科技计划项目、深圳市科技计划项目等项目的资助。 图1 (a)复合式分层光电晶体管结构图以及(b)能级分布图 图2 使用复合式分层结构的(a)柔性光电探测器及(b)光成像阵列
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