天大姚建铨院士Photonics Research：激光刻蚀rGO/CsPbBr3打造自驱动、柔性、超宽谱光电探测器

作者：Yifan Li, Yating Zhang, Zhiliang Chen, Qingyan Li, Tengteng Li, Mengyao Li, Hongliang Zhao, Quan Sheng, Wei Shi and Jianquan Yao

Photonics Research2020年第8卷 第8期

研究背景

高性能，自驱动且具备柔性特性的超宽谱光电探测器在生物成像、光通信、导弹制导、遥感等诸多光电子系统中起着重要的作用。但是，由于现有的材料和技术手段的缺乏，实现这些需求仍然是一个巨大的挑战。近年来，随着新型半导体材料的发展，基于塞贝克效应的光热电(PTE) PD由于具有在零电压下超宽带检测的能力，重新引起人们的兴趣。

近年来，部分科研小组利用激光刻蚀法成功地制造出了氧化还原石墨。激光刻蚀还原氧化石墨烯(LSG)具有可以实现任意尺寸氧化石墨烯的生长，制备周期从几小时缩短到几分钟且不需要特殊的化学试剂和高温度等的优点，是一种非常有潜力的三维泡沫石墨烯的制备方法。同时，钙钛矿材料被证实不仅具有优异的光电特性，还是一种极具潜力的热电材料，具有较大的赛贝克系数和较低的热导。

成果简介

近日，天津大学姚建铨院士、张雅婷副教授、李依凡博士课题组提出利用LSG/CsPbBr₃复合材料制备了自驱动柔性的光电器件，实现了紫外-太赫兹超宽光谱探测。通过LGS/CsPbBr₃复合材料的设计，增强了光热电系统的光电转换能力，同时利用激光刻蚀还原氧化石墨烯的方法实现柔性材料的制备，为高性能，柔性超宽谱探测器的研制提供了新的途径。相关研究成果发表在Photonics Research 2020年第8期上。

较低的响应度是制约自驱动石墨烯光电探测器广泛应用的关键因素，同时利用柔性材料的制备困难也是不容忽视的一个问题。为解决此难点，团队通过LSG/CsPbBr₃复合材料的设计，增强器件的光电性能转化的同时制备出具有柔性特性的材料。通过基本的材料表征手段结果显示，激光还原的石墨烯具有蜂窝网状结构，同时CsPbBr₃晶体均匀地附着在LSG表面，具有更强的光吸收能力、热性能和长范围的导电网络结构。

光电特性实验显示，LSG/CsPbBr₃复合材料器件比LSG器件光响应高5倍，且响应时间快一倍。LSG/CsPbBr₃复合材料器件在405 nm至 2.52 THz波长范围内的多波段激光辐照下展示出稳定且可重复的光开关特性，随着辐照光波长的增加，光响应度降低。在零偏压下表现出高的响应度为100 mA /W@405 nm和10 mA /W @118 μm以及18 ms快速响应时间。

在此基础上，利用光热电理论模型以及温度/光电流变化曲线充分证明了该器件的光热电效应机制。

这项工作表明，LSG/CsPbBr₃器件是室温下构建高性能、柔性、自驱动超宽带探测器有潜力的候选材料，为未来自驱动柔性的超宽带、高灵敏度新型光电探测器研究提供理论基础和技术支撑。

该工作近期以“Self-powered, flexible, and ultrabroadband ultraviolet-terahertz photodetector based on a laser-reduced graphene oxide/CsPbBr₃composite”为题发表在期刊Photonics Research（DOI: 10.1364/PRJ.395090）上，文章第一作者为博士研究生李依凡，通讯作者为张雅婷副教授，姚建铨教授。

相关工作得到国家自然科学基金（61675147, 61605141, 61735010, 91838301）国家重点研发项目（2017YFA0700202）和深圳市基础研究项目（JCYJ20170412154447469）等项目的资助。

图文导读

图1 LSG/CsPbBr₃器件制备过程

图2 LSG/CsPbBr₃材料表征

图3 LSG/CsPbBr₃复合材料与LSG材料器件光电特性对比

图4 LSG/CsPbBr₃器件与LSG材料器件宽光谱光电特性对比以及超宽谱响应

图5 LSG/CsPbBr₃器件光热电机理论证

图6 LSG/CsPbBr₃器件柔性测试

作者团队介绍：

姚建铨院士、张雅婷副教授团队由姚建铨院士和张雅婷副教授以及若干博士生和硕士生所组成，属于天津大学精密仪器与光电子工程学院的激光与光子学研究所中的一支科研力量。

近年来致力于光电器件的研究工作，研究的器件包括光电探测器、太赫兹探测器、光电存储器等。相关领域共发表学术论文90余篇，SCI收录70余篇（近5年论文50余篇，其中一区论文17篇。其中一篇篇论文于2017发表在ACS Photonics上，当年被该杂志评为亚洲地区高被引论文榜第5位，2019被SCI评为高被引论文。

相关领域的其他论文还有：

1. Journal of Physical Chemistry Letters, 2020, 11(3):767-774,10.1021/acs.jpclett.9b03409

2. Journal of Materials Chemistry, 2020, 8(6):2178-2185,10.1039/c9tc06230k

3. Photonics Research, 2020, 8(3):368-374,10.1364/PRJ.380249

4. Photonics Research, 2020, Accepted,

5. Carbon, 2020, 163:34-42,10.1016/j.carbon.2020.03.019

6. Photonics Research, 2019, 7(2):149-154,10.1364/PRJ.7.000149

7. Nanoscale, 2019, 11(12):5746-5753,10.1039/c9nr00675c

8. Advanced Optical Materials, 2018, 6(21):1800639,10.1002/adom.201800639

9. Advanced Optical Materials, 2017, 5(2):1600434,10.1002/adom.201600434

10. Journal of Physical Chemistry Letters, 2017, 8(2):445-451,10.1021/acs.jpclett.6b02423

11. ACS Photonics, 2017, 4(3):584-592,10.1021/acsphotonics.6b00896

12. ACS Photonics, 2017, 4(4):950- 956,10.1021/acsphotonics.6b01049

13. ACS Applied Materials and Interfaces, 2017, 9 37: 32001-32007,10.1021/acsami.7b06629

14. ACS Photonics, 2017, 4(9):2220-2227,10.1021/acsphotonics.7b00416

15. Advanced Optical Materials, 2017, 5(24):1700565,10.1002/adom.201700565

16. Journal of Materials Chemistry C, 2016, 4(7):1420-1424,10.1039/c5tc04007h

本文由天津大学精密仪器与光电子工程学院姚建铨院士团队供稿。