中科院王吉政教授Adv. Mater.: 高性能溶剂法制备横向结构光探测器的设计策略

【引言】

光可以被看作是一种媒介，除了传输能量，它还可以传递信息。在这个信息时代，信息的传递变得越来越重要，光探测器可以将光信号转换成更为容易处理、分析和记录的电信号，从而获得由光传递的信息。在各种制备方法和器件结构中，溶剂法制备的横向结构光探测器具有许多独特的优点。在制备方面，溶剂法（包括旋涂，喷涂，浸泡等），是制备薄膜（特别是大面积薄膜）的相对简单的方法，并且成本和能耗较低。在器件结构方面，横向结构通常具有更好的稳定性和可重复性，并且易于添加栅电极，以调节器件的工作状态。在应用方面，溶剂法制备的横向结构光探测器更加易于集成和制作透明设备。

光探测器的器件性能主要取决于活性材料和器件结构。可分散的无机材料极大地简化了薄膜的制备，同时保持了良好的导电性；有机小分子材料和聚合物材料具有较宽的波长响应，特别是在可见光区域，并且可以通过改变官能团对其性能进行调节；有机-无机杂化材料体系也是一个很有前途的发展方向，其兼具了良好的电学和光学性能；钙钛矿材料以其优异的光电性能正在成为一个新的研究方向。此外，具有一定微结构（包括纳米颗粒，纳米线，纳米片等）的活性材料也被广泛研究，得益于其特有的性能（例如量子尺寸效应和各向异性等），这些材料在器件中有着广泛的应用。除了对活性材料的发掘，改变器件结构也是一种提高性能的有效方法。共混、双层和多层结构有助于提高器件的响应度，扩展探测范围和加快反应速度。

【成果简介】

近日，中科院王吉政教授课题组从活性材料到器件结构，系统地介绍和讨论了改进溶剂法制备的横向结构光探测器器件性能的策略。首先，作者简要阐述了横向结构光探测器的工作机制，并阐明了表征器件性能的主要参数。然后，根据活性材料的种类，将器件分为：无机、有机、杂化和钙钛矿器件，并分别总结了相应的改进方法。最后，作者对其进行了概括，并为该领域的进一步发展提出了详细的建议。该成果以题为“Strategies Toward High-Performance Solution-Processed Lateral Photodetectors”发表在Adv. Mater.上。

Figure 1.PbS QDs光探测器的器件结构和性能表征

(a,c)基于PbS量子点的无机器件的示意图

(b)对于Au掺杂比为100:2的器件，在暗态和不同光强下的I-V曲线，小图为不同Au掺杂比例下器件的开关特性曲线

(d)单层器件和双层器件在光照条件下的I-V曲线

Figure 2.基于ZnO纳米晶的器件结构和性能表征

(a,c)基于ZnO纳米晶体的无机器件的示意图

(b)GD:ZnO/ZnO双层器件的开关特性曲线

(d)对于使用不同方法处理的器件，在暗态和光照条件下的I-V曲线

Figure 3.基于各种量子点的器件示意图和性能表征

(a,c,e)基于各种QDs的无机器件示意图

(b)在暗态下以及在254和302nm光照条件下的器件I-V曲线

(d)基于不同活性层的器件的转移曲线

(f)在UV-MIR波段光照条件下器件的J-V曲线

Figure 4.具有p-i-n结构的有机器件的结构和性能表征

(a)具有p-i-n结构的有机器件的示意图

(b)基于不同活性层的器件的光电流谱

(c)器件的制备过程

Figure 5.基于PCBM与PSeTPTI结合的有机器件的结构和性能表征

(a,c)基于PCBM与PSeTPTI结合的有机器件的示意图

(b)暗态和光照条件下器件的转移曲线

(d)暗态和光照条件下器件的I-V曲线

Figure 6.基于各种有机材料的器件示意图和性能表征

(a,c)基于各种有机材料的器件的示意图

(b)具有和不具有DNA层的器件在暗态和光照条件下的I-V曲线

(d)基于不同活性层的器件在暗态和光照条件下的I-V曲线

Figure 7.具有微结构的有机器件示意图和性能表征

(a,c)具有微结构的有机器件的示意图

(b)暗态和不同波长照射下器件的I-V曲线

(d)暗态和不同光照强度下器件的I-V曲线

Figure 8.基于ZnO与有机材料结合的杂化器件的示意图和性能表征

(a,c)基于ZnO与有机材料结合的杂化器件的示意图

(b)基于不同活性层的器件在光照条件下的I-V曲线

(d)具有和不具有ZnO纳米颗粒的器件，在暗态和光照条件下的I-V曲线

Figure 9.基于各种杂化材料体系的器件示意图和性能表征

(a,c,e)基于各种杂化材料体系的器件的示意图

(b)暗态和不同波长照射下器件的转移曲线

(d)基于不同活性层的器件在暗态和光照条件下的I-V曲线

(f)单层器件和双层器件的光电流谱

Figure 10.有机-无机钙钛矿器件的示意图和性能表征

(a,c)有机-无机钙钛矿器件的示意图

(b)暗态和不同波长照射下器件的I-V曲线

(d)暗态和光照条件下器件的I-V曲线

Figure 11.基于有机-无机钙钛矿与其他材料结合的器件的示意图和性能表征

(a,c,e)基于有机-无机钙钛矿与其他材料结合的器件的示意图

(b)暗态和不同光照强度下器件的转移曲线

(d)基于不同活性层的器件在暗态和光照条件下的I-V曲线

(f)基于IGZO（左）和MAPbI₃/IGZO（右）的器件在暗态和不同波长照射下的I-V曲线

Figure 12.全无机钙钛矿器件的示意图和性能表征

(a,c)全无机钙钛矿器件的示意图

(b)在不同波长照射下器件的光电流和响应度

(d)暗态和不同光照强度下器件的I-V曲线

Figure 13.基于全无机钙钛矿与其他材料结合的器件的示意图和性能表征

(a,c)基于全无机钙钛矿与其他材料结合的器件的示意图

(b)不同波长照射下器件的光电流

(d)具有和不具有PCBM的器件，在暗态和光照条件下的I-V曲线

【小结】

在这个工作中，作者总结了用于提高溶剂法制备的横向结构光探测器性能的主要策略。作者首先介绍了非常基本的器件工作原理，然后根据活性层材料将器件分为四类：无机、有机、杂化和钙钛矿器件，分别介绍和讨论了提高其性能的策略。作者认为这些策略主要从三个方面提高了器件性能：其一是通过制作各种微结构增加材料的结晶度，掺杂具有高载流子迁移率的材料，以及增加电荷传输层来提高载流子迁移率。高迁移率对响应度至关重要，因为增益直接由电子和空穴的迁移率决定。其二是通过混合不同材料以形成体异质结或制作多个功能层以形成平面异质结来构建异质结。具有适当能级排布的异质结对于光探测器具有许多益处，例如抑制暗电流，增加光电流和反应速度。其三是通过钝化晶界和薄膜表面或使用具有低维结构的材料来减少缺陷。缺陷可能会俘获正在传输的载流子并对器件性能产生不利影响，尤其是对于光电流和反应速度。最后，作者还对光探测器的未来发展提出了一些建议：调整活性材料的成分，使其在暗态下具有较低的载流子浓度，同时保持高迁移率；改善不同层之间的界面，从而更有效地分离载流子；利用缺陷来减少暗电流并增加载流子寿命。此外，目前在提高光探测器性能方面还存在着一些取舍（如高迁移率和低暗电流，长载流子寿命和高工作频率，高增益和低工作电压等），可以根据实际需求进行选择。

Strategies Toward High-Performance Solution-Processed Lateral Photodetectors

(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201901473)

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