中科院纳米能源所＆湖南大学：实现基于图案化钙钛矿薄膜柔性实时光电探测与阵列成像

【引言】

光电器件（包括光电探测器、LEDs和太阳能电池）已经在日常生活中产生了巨大的应用，如光电通信、成像技术、环境监测、数字显示等。随着新兴光电产业的发展，柔性光电器件（PDs）由于重量轻、便携性、可穿戴性以及低的加工成本而越来越受到各国研究人员的青睐。近来，基于各种纳米材料的柔性光电探测器在机械稳定性、柔韧性和拉伸性等方面取得重大突破。有机-无极杂化钙钛矿材料由于在可见光下具有大的光吸收系数、可调节的带隙、更长的载流子寿命和扩散长度而成为高性能柔性光电探测器的一种理想的候选材料。然而，基于钙钛矿材料的大规模高分辨率和柔性PD阵列用于实时光追踪和成像目前还鲜有报道。
基于钙钛矿材料的大规模PD阵列的关键挑战在于能否为器件的微型化和集成化提供合适并有效的合成技术。传统制备工艺（如CVD法、气相外延生长法和模板法）由于引入了高温条件和特殊的衬底而不适合制备柔性PD阵列。最近，相关科研人员采用旋涂法制备出了基于CH₃NH₃PbI₃的图案化的钙钛矿薄膜，通过光刻技术为大规模集成PD阵列的合成提供了可能性，而混合卤化物钙钛矿薄膜（CH₃NH₃PbI_3−xCl_x）也已被成功合成，因为引入了Cl而使其具有更高的载流子迁移率和更长的激子扩散长度。因此，基于CH₃NH₃PbI_3−xCl_x薄膜的大规模高分辨PD阵列应用于集成性的柔性电子和光电子是必不可少的。

【成果简介】

近日，中科院纳米能源所潘曹峰研究员团队和湖南大学潘安练教授团队联手，合作制备出10×10像素化的柔性PD阵列，其分辨率达63.5 dpi。联合团队共同指导的博士生吴文强（第一作者）等人借助Al₂O₃辅助亲水-疏水表面处理工艺，通过两步连续沉积法在聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物(PET)衬底上实现大规模CH₃NH₃PbI_3−xCl_x阵列的可控制备。所制备的柔性PD阵列具有高的探测能力、大的开/关电流比和宽的光谱响应范围，而且在大弯曲角下经过数百次弯曲试验后，展现出优异的电学稳定性和耐折性，此外，该器件也可以实现实时捕捉光轨迹和成像的功能。相关成果以题为“Flexible Photodetector Arrays Based on Patterned CH₃NH₃PbI_3−xCl_xPerovskite Film for Real-Time Photosensing and Imaging”发表于期刊Advanced Materials。

【图文导读】

图一 钙钛矿阵列的合成工艺与表征

（a）CH₃NH₃PbI_3−xCl_x阵列的合成工艺示意图
（b）所合成的CH₃NH₃PbI_3−xCl_x阵列XRD图谱，插图：四方钙钛矿的晶格结构
（c）图案化的CH₃NH₃PbI_3−xCl_x阵列的SEM图像和薄膜表面的放大SEM图像
（d,e）PET衬底上具有不同几何形状和更复杂图案的大规模CH₃NH₃PbI_3−xCl_x薄膜的照片

图二 柔性PD阵列的结构和制造工艺

（a）该器件的结构示意图，插图：设计的复杂电路
（b）该器件制备工艺的示意图说明
（c）PD阵列的SEM图像和器件中单像素的放大SEM图像
（d）10×10像素的柔性PD阵列的光学图像

图三 PD阵列的光响应表征

（a）利用650 nm激光二极管对单像素在黑暗和光照下进行表征（对数I-V曲线），其光强度变化范围为0.033-38.3 mW cm^-2
（b, c）不同光照强度下单像素的开/关电流比和瞬态光响应性能
（d）在光照强度为38.3 mW cm^-2下，偏压为5V的单像素可重复的光响应
（e）不同光照强度下的光电流和探测能力
（f）固定功率密度为2 mW cm^-2，在黑暗和具有不同波长的光照下单像素的I-V曲线

图四 柔性PD阵列的电稳定性

（a）偏压为5 V，分别在黑暗和光照强度为6.5 mW cm^-2下具有不同弯曲角度的器件输出电流，插图是5种弯曲状态下器件所对应的光学图像，θ是弯曲角
（b）未弯曲和分别在100、200、300和500次弯曲循环后器件的对数I-V曲线
（c）不同弯曲循环后柔性PD阵列的归一化开/关转换行为

图五 器件的实时光追踪和成像应用演示

（a）在偏压为5 V下PD阵列的统计暗电流
（b）在黑暗与汞灯光源的不同光照强度下，器件的平均电流
（c）自制的多通道数据采集系统示意图
（d）通过一个掩模将光照施加在局部区域（像素点5和6），10个像素的V-t曲线，说明像素点之间没有串扰
（e）实时光追踪演示：（e-i）光点移动过程的示意图和（e-ii）对应的轨迹，（e-iii）当光点通过对应的像素点时终端电压的变化
（f）用于演示柔性PD阵列光成像示意图

【小结】

研究人员已经展示了基于CH₃NH₃PbI_3−xCl_x薄膜的大规模柔性光电探测器阵列用于实时光探测和成像，该器件在多种环境下具有的优异性能而使其成为新型光电探测器的一种较为理想的装置，相关研究人员也预测所制备的这种器件在光通信、数字显示和人造电子皮肤等领域的光探测和成像方面具有巨大的潜力。

文献连接：Flexible Photodetector Arrays Based on Patterned CH₃NH₃PbI_3−xCl_xPerovskite Film for Real-Time Photosensing and Imaging（Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201805913）

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【作者简介】

中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰教授团队简介：潘曹峰，研究员，博士生导师，先后入选2016自然基金委“优秀青年基金”获得者，北京市特聘专家。2005、2010年分别在清华大学材料科学与工程系获学士、博士学位，并获得全国优秀博士学位论文奖。其后于美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院进行博士后研究。2013年回国加入中科院北京纳米能源与系统研究所，主要从事低维压电半导体光电器件的压电（光）电子学效应（压电半导体中的力光电耦合效应）及微纳光电功能器件研究。在Nat. Photon.、Nat. Comm.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Nano Energy、ACS Nano 等期刊上发表SCI论文140余篇，引用5200多次。现任Science Bulletin期刊材料学副主编，Nanotechnology的纳米器件section editor。主持国家自然科学基金、滚球体育 部重点研发专项及中科科院、省部级人才基金等课题十余项。

湖南大学纳米光子材料与器件潘安练教授团队简介：潘安练，省特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，中组部“万人计划”领军人才。2006年毕业于中国科学院物理研究所，随后加盟湖南大学工作。同年底，赴德国马普微结构物理研究所从事洪堡学者访问研究。2007年底加入美国亚利桑那州立大学光子学研究中心和电子工程系做博士后访问研究，随后取得该校助理研究教授职位。 2009年获得湖南省“芙蓉学者”特聘教授职位，入选教育部“新世纪优秀人才计划”并获湖南省自然科学杰出青年基金资助，2015年获得国家杰出青年科学基金。现任微纳结构物理与应用技术湖南省重点实验室主任、中德半导体结构光子学联合实验室中方主任，湖南省物理学会常务理事、美国材料学会及美国光学学会会员，担任Nano&Micro Letters等多个国际知名杂志的编委。近年来在纳米光电材料能带调控、可控生长和器件应用研究领域取得多项国际影响的系统研究成果，先后得到Science Daily，IOP等多家国际学术机构高度评价。在Nat. Nanotech.、Nat. Comm., Chem. Soc. Rev, Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、J. Am. Soc. Chem.等国际顶级期刊上发表论文近200篇，申请国内外专利十余项, 两次获湖南省自然科学一等奖（第一完成人）和省青年滚球体育 奖。主持国家自然科学基金、973课题（子项目）及省部级人才基金等课题十余项。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰教授团队与湖南大学潘安练教授团队最近在新型纳米材料的合成和光电器件方面取得了多项具有国际影响力的研究成果。包括：2013年实现了利用压电纳米线LED阵列对压力分布进行超高分辨率电致发光成像【Nat. Photonics 2013, 7, 752】；2015年组装了利用压电效应调制的大规模紫外光电探测器阵列【Adv. Mater. 2015, 27, 7963】；2016年利用压电效应增强了ZnO/钙钛矿柔性太阳能电池的性能【Nano Energy 2016, 23, 27】；2017年利用新颖的两步法合成高质量的钙钛矿薄膜并制备了高性能的柔性光电探测器【Adv. Mater. 2017, 29, 1703256】；2017年实现宏观长度高质量的钙钛矿纳米线的定向生长和光电应用【J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 15592】；2017年制成钙钛矿-硅酸铒纳米片混合波导近红外通信波段的光电探测器【Adv. Mater. 2017, 29, 1604431】；2017年实现了通过直接汽相法生长钙钛矿CsPbBr₃纳米线组装电致发光器件【ACS Nano. 2017,11, 9869】；2018年利用低温液相法合成大型超稳定全无机CsPbBr₃单晶薄膜并组装了高性能光电探测器【Adv. Mater. 2018, 30, 1802110】；2018年受皮肤功能的激发组装了多功能的高延展性的传感器阵列【Nat. Commun. 2018, 9, 244】；2018年实现了基于CH₃NH₃PbI₃单晶的压电效应增强的光电探探测器【ACS Nano.2018, 12, 10501】；2018年组装了基于强激子-光子耦合的高质量的平面排列CsPbX₃钙钛矿纳米线激光器【ACS Nano. 2018, 12, 6170】；2018年利用电场调制光致发光成像技术研究了金属卤化物钙钛矿纳米粒子的载流子输运特性【Nano Letters. 2018, 18, 3024】。

Group websites:http://piezotronics.binncas.cn/

http://nanophotonics.hnu.edu.cn/