低维钙钛矿光电探测器研究进展

近年来，作为光电器件（如太阳能电池、发光二极管和激光器等）用新型半导体材料，三维铅卤钙钛矿因具有优异的光电子性能被广泛研究。然而，三维钙钛矿存在的铅毒性以及稳定性差等问题严重阻碍了其商业化应用。低维钙钛矿材料由于其优异的光电性能以及稳定性，在光电应用领域引起了广泛的关注。除了用于光伏和发光二极管以外，低维钙钛矿已成为未来光电探测器有前途的候选者。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所杜鹃研究员、重庆邮电大学唐孝生教授在《发光学报》发表了题为“低维钙钛矿光电探测器研究进展”的综述文章。

该综述以提升光电探测器的稳定性及光响应性能为出发点，系统地综述了新型低维钙钛矿光电探测器的最新研究进展，对低维钙钛矿结构、光电探测器种类及性能参数进行了简要介绍，并对低维钙钛矿在光电探测器应用中面临的问题进行了总结，也对该研究领域未来的发展方向进行了讨论。

1 引言

光电探测器可以将入射光（紫外光、可见光或红外线等）转换为电信号，这对各种工业和科学应用至关重要，包括成像、光通信、环境监测和生物传感。半导体材料是光电探测器的重要组成部分，到目前为止，诸多半导体材料已经被用于光电探测器，包括硅、碳纳米管、III-V化合物、量子点等，并在改善光探测性能和器件结构设计方面取得了令人瞩目的进展。然而，基于这些材料的光电探测器通常需要昂贵的、严格的工艺和操作条件，从而阻碍了其商业化应用。因此，寻找成本更加低廉、工艺更加简单的候选材料，进一步提高光电探测器的性能，降低成本，简化制作过程，具有重要意义。

三维金属卤化物钙钛矿材料独特的晶体结构使其拥有众多奇特的化学和物理性质，并且基于三维钙钛矿材料的光电器件表现出优异的性能，制造成本低廉。然而，三维钙钛矿材料在高温、高湿度以及光照条件下容易受到破坏，所以长期稳定性差以及铅毒性是阻碍其走向实际应用的两个主要因素。为了克服这些问题，研究人员引入新型低维钙钛矿材料（如图1），针对不同的器件配置将其加入活性层中，得到了与三维钙钛矿相媲美的性能并表现出显著增强的温湿稳定性。

图1（a）二维Ruddlesden-Popper；一维（b）和零维（c）钙钛矿晶体结构示意图。

2 结构设计与光响应性能调控

2.1 低维钙钛矿光电探测器

低维卤化物钙钛矿由于其独特的光电性质以及比三维钙钛矿更高的稳定性，近年来在光电探测器方面得到了广泛的研究。其中，二维（2D）层状结构钙钛矿材料的光电探测器显示出可调谐的光响应以及较短的响应时间（毫秒）。特别地，基于三层2D钙钛矿材料的光电探测器在输出电流、响应率、光导率和响应时间等方面都优于其他层数的2D钙钛矿材料，这主要归因于其具有更小的光学带隙和更紧凑的微观结构。此外，相较于薄膜以及大块晶体，低维钙钛矿纳米线由于其各向异性和小尺寸效应而表现出独特的光电特性，光生载流子沿轴向高效传输，有利于改善光电探测器的电荷提取效率，优异的器件性能来源于层状钙钛矿中自由载体边缘传导和电阻跳变屏障的高效组合。然而，研究表明基于1D 钙钛矿光电探测器的响应度低于3D或2D钙钛矿结构，相对较低的响应度可能是由于1D钙钛矿材料较大的激子结合能导致载流子迁移率较低，或1D钙钛矿材料与电极之间接触较差，因此，需要开展更多的研究来解决这一问题。

2.2 异质结构的低维钙钛矿光电探测器

由两种或两种以上具有不同功能的材料组成的异质结构有望表现出单一材料系统无法表现的物理现象，并能极大地扩展其在光电器件领域的应用功能。要充分发掘其潜在的应用，对异质结构的合理设计和可控合成是必不可少的。研究表明，单晶异质结构的钙钛矿光电探测器表现出低暗电流、高开关电流比。除了二维钙钛矿异质结光电探测器之外，基于二维材料/钙钛矿异质结的光电探测器也得到广泛研究，其结合了二维材料的高载流子迁移率和钙钛矿材料优越的光学性能，在具备同样甚至更高的探测性能的同时，器件稳定性也得到了改善。基于环保型的理念使低维无铅钙钛矿异质结构光电探测器受到了广泛关注。但与基于铅的异质材料相比，其光电探测性能仍不能令人满意，需要开展更多的相关研究工作以进一步提高其性能。

2.3 低维柔性钙钛矿光电探测器

与传统的基于刚性硅基板的光电探测器相比，柔性光电探测器由于耐用性、抗冲击、可弯曲、重量轻等优点，在可穿戴和便携式器件领域具有更广泛的应用。值得庆幸的是，钙钛矿可以通过溶液工艺进行制备，这使得它们有可能组装成轻便型柔性光电探测器。

3. 展望

随着光电子技术的快速发展，低维钙钛矿在环境稳定性方面的研究也在不断深入，通过调整维数和晶体结构，具有不同光电性质的低维钙钛矿有望为各种光电应用提供更多的可能性。此外，由于其晶体结构独特、载流子迁移率较高、扩散长度长和稳定性高，低维钙钛矿光电探测器已经表现出了卓越的性能和较好的稳定性。然而，低维无铅钙钛矿和基于三维铅基钙钛矿在器件性能上仍存在差距，低维钙钛矿器件的工作机理、材料固有性质和复合动力学仍不清晰，需要进行更深层的研究，为进一步的器件优化提供有效的指导。同时，深入了解低维钙钛矿体系的结构-性质关系，对合理设计和精细操作钙钛矿体系的光电性质也很有必要。

论文信息

杨洁, 皮明雨, 张丁可, 等. 低维钙钛矿光电探测器研究进展[J]. 发光学报, 2021, 42(6):755-773. DOI：10.37188/CJL.20210033