深圳大学AFM：Somekh院士团队高性能钙钛矿光电探测器光通信应用

第一作者：王涛

通讯作者：冯甫

通讯单位：深圳大学

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光电探测器在光通信系统中起着重要的作用，是实现高保真信号传输的关键。新兴的准二维层状钙钛矿因其优异的热稳定性而备受关注。然而，由于准二维钙钛矿载流子输运能力较差，其光电性能普遍偏低。因此，寻求一种方法制备具有高光电性能、快速响应和良好稳定性的准二维钙钛矿光电探测器很好的应用在光通讯领域是非常有必要的。本论文通过优化薄膜质量和器件结构，制备了一种基于甲酰胺基钙钛矿的高性能柔性光电探测器，该探测器具有快速响应和良好的环境稳定性。通过加入FACl作为添加剂，提高了薄膜的质量和结晶度。此外，通过在衬底上嵌入Au纳米结构引入局域表面等离子体共振增强光和物质的相互作用，从而进一步提高器件的性能。优化后的器件最终响应速度为9µs，而且具有良好的长期环境稳定性(> 1000 h)。该器件的最高响应率为2.3 A W-1，检测率为3.2 × 1012 Jones。最后，将所制备的光电探测器成功集成到光通信系统中进行测试。结果表明，脒基准二维钙钛矿光电探测器在光通信领域具有很大的应用潜力。

研究背景

采用新型材料(如二维材料、钙钛矿材料)的光电探测器在光学成像和光通信方面显示出巨大的潜力。光电探测器是许多电子产品的组成部分，如环境监测、医疗和健康监测、软机器人、智能手机和数码相机等。在光电探测器的各种半导体材料中，钙钛矿因其优异的物理性能而备受关注，是最有前途的半导体材料之一。它可以用低成本的溶液处理方法在各种基底上合成。这些新材料已经为光电器件特别是光电探测器的研究带来了令人兴奋的前景。准二维甲酰胺基钙钛矿具有良好的环境稳定性，是目前工业应用中最有前途的解决方案。由于FA+基的准二维钙钛矿具有较好的结构和热稳定性，接近最佳的Goldschmidt容差因子，同时具有较好的带隙和较好的电荷转移能力，是制备高效稳定光电探测器的理想光敏层材料。

图文导读

图1 (a-d)添加8 mg mL-1 FACl的(BA)2FAPb2I7钙钛矿膜在120℃下分别退火0 s、10 s、2 min、10 min的SEM图；(e)用GD-OES测量钙钛矿薄膜退火时氯离子的演变；f)对应于(e)中不同退火时间的峰值积分面积。

首先通过使用FACl作为添加剂，来提高钙钛矿薄膜的质量和结晶度。为了深入了解FACl(特别是Cl-)对钙钛矿膜形成过程的影响，采用了GD-OES技术。利用GD-OES获得了热退火阶段成膜过程中Cl离子的深度剖面分布，这有助于更好地理解氯离子在钙钛矿结晶过程中的作用。在图1e中，曲线强度显示了氯浓度随Ar等离子溅射时间的变化。在热退火前可以发现，随着溅射时间的延长，曲线的强度即氯的浓度先增大后缓慢减小，说明氯主要分布在整个钙钛矿层的中上部。随着退火时间的延长，钙钛矿的Cl离子含量曲线强度逐渐降低，说明在整个退火过程中Cl离子延缓结晶速率的作用持续存在。退火10min后，曲线强度几乎为零，氯离子消失，说明随着退火时间的增加，氯元素随溶剂蒸发。

图2 (a) 405 nm处不同光强下器件的I-V曲线；(b) 2 V偏压、不同波长光照下器件的I-T曲线；(c)光照 (11.2 mW cm-2) 和黑暗条件下器件的I-V对数曲线；(d)光电流随光强变化的函数曲线；(e) 器件在不同波长(2 V偏压、0.25 μ W cm-2下的响应性；(f)器件和测试系统的噪声电流。

图3 (a)器件光响应速度测量示意图；(b-d)器件在不同频率方波光信号照射下的时间光响应；(e)归一化光响应与输入信号频率的关系图，器件的3db为截止频率；(f) 50 kHz时单个光响应曲线。

图4 (a)在405 nm光照下，柔性器件以不同曲率弯曲时的I-T对数曲线，插图为器件在不同弯曲状态下的对应照片；(b) 50°弯曲时不同弯曲次数柔性器件的I-T对数曲线，插图是器件的光电流和暗电流作为弯曲次数的函数；(c)测试周期大约6 h时器件的光响应；(d)无封装环境条件下器件的响应度随时间的演化。

钙钛矿光电探测器的等离子体结构是在柔性PET衬底由三层功能层组成，底部是Au薄膜，中间是SiO2介电间隔层，顶部是Au纳米光栅。由于Au纳米结构能在光照下产生 局域表面等离子体共振效应，因此随着局域量子态密度的增加，光的散射和吸收也会增强。通过将Au纳米结构嵌入钙钛矿层中，可以增加电子的转移路径，有效地限制光诱导电子-空穴对的复合，进而提高器件的光响应。因此等离子体结构器件的光电性能明显增强，而且光响应范围更广。钙钛矿光电探测器在光通信领域具有广阔的应用前景，特别是在具有高速光电响应的可见光通信中作为光信号接收器。因此，研究了等离子体结构器件在不同光信号频率下的响应时间。结果表明，器件在低频和高频下均具有稳定性和可重复性。根据归一化响应-频率图(图3e)，该设备的3dB截止频率(f3dB)为50 kHz，这几乎与报道的MAPbI3光电二极管相同的数量级，足以作为一种高效的数据接收器应用。而且器件具有出色的环境稳定性，在环境条件下储存1000小时，其光响应性能的退化可以忽略不计。

图5 (a)基于等离子体结构钙钛矿光电探测器的可见光通信系统示意图；(b)单片机和器件得到的电信号波形；(c)不同传输速率下器件接收到的数字数据波形。

最后将器件集成到可见光通信系统中作为光信号接收器。可见光光通信具有成本低、能耗低、速度快、安全性高、不受电磁干扰等优点。利用发光二极管产生高速脉冲信号进行信息传输，集照明、通信和控制功能于一体，具有广泛的应用领域:智能家居、智能交通、高速音频/视频传输。为了模拟无线数据传输，字符“SZUN”被调制成每个字母的区分大小写(ASCII码)。高光强水平代表“1”，低光强水平代表“0”。然后，信号被发送到器件被读取为高和低电信号。最后，电信号被解调成字母“SZUN”。图5c显示了不同比特率下器件接收到的调制光的电流信号，这表明系统可以以100 kbps比特率传输数据。考虑到器件的响应速度，它们应该能够以1 Mbps或更高的比特率执行。实际速率受到前置放大器带宽的限制。总的来说，这项工作证明了光电探测器可以用于光通信。

总结与展望

利用FACl作为添加剂制备了高质量的准二维(BA)2FAPb2I7钙钛矿薄膜。过渡态中的含氯中间体在退火过程中被去除。制备了具有等离子体异质结结构的自供电甲脒基准二维钙钛矿光电探测器。器件的响应率为2.3 A W-1，检测率为3.2 × 1012 Jones，响应时间分别为9.74和8.91 μ s，与纯钙钛矿器件相比，等离体结构器件的性能明显提高。此外，器件在环境条件下表现出优异的环境稳定性(>1000 h)。器件被集成到一个可见光通信系统作为光信号接收器传输ASCII编码信息。结果表明，高速稳定的等离子体结构准二维钙钛矿光电探测器在光通信领域具有广阔的应用前景。

利用FACl作为添加剂制备了高质量的准二维(BA)2FAPb2I7钙钛矿薄膜。过渡态中的含氯中间体在退火过程中被去除。制备了具有等离子体异质结结构的自供电甲脒基准二维钙钛矿光电探测器。器件的响应率为2.3 A W-1，检测率为3.2 × 1012 Jones，响应时间分别为9.74和8.91 μ s，与纯钙钛矿器件相比，等离体结构器件的性能明显提高。此外，器件在环境条件下表现出优异的环境稳定性(>1000 h)。器件被集成到一个可见光通信系统作为光信号接收器传输ASCII编码信息。结果表明，高速稳定的等离子体结构准二维钙钛矿光电探测器在光通信领域具有广阔的应用前景。

课题组简介

深圳大学纳米光子学中心2013年由袁小聪教授牵头成立，现已获各类项目资助超过6000万元。冯甫博士于2018年加入该中心，现已建立一支由5名博士后、2名博士和10余名硕士组成的科研团队。团队长期充实纳米光子学相关领域研究，在光学器件、光学表面波、光场调控等领域已取得众多成果。团队拟招收2名光学工程方向的博士后，有意者请联系fufeng@szu.edu.cn。冯甫博士google scholar链接如下：

https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=mxh9VRsAAAAJ

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