天津大学姚建铨团队Advanced Functional Materials：基于晶界离子测热效应的高性能近红外到太赫兹光电探测器

一、[导读]

高性能宽谱太赫兹探测器在生物安全成像、空间通讯等领域显示出广阔的应用前景。在该光谱区域，电磁光电探测器和光子光电探测器通常需要额外的冷却系统或精确的天线结构，以现有技术难以实现大规模集成。基于光热过程的探测器，如测辐射热计，这种探测器可以在室温下工作，并且没有波长选择性。测辐射热计吸收辐射并将其转化为温升，然后引起可以作为电信号分析的电阻变化，具有制作简单、成本低、易于集成等优点。大多数辐射热计的性能研究集中在吸光度、与环境的热交换和电子-声子碰撞，但晶界对测辐射热计的重要性尚未作为增强测辐射热计效果的实际因素进行研究。

二、[成果掠影]

近日，天津大学姚建铨院士和张雅婷副教授设计了一种基于离子测辐射热效应的新型光电探测器，极大地提高了太赫兹探测器的响应性能。通过分析具有不同晶体结构的钙钛矿测辐射热计，并通过微纳尺度光电性能相关测试，合理化了晶界处广泛存在的缺陷态对电流响应的抑制。另一方面，晶界处的离子受到热激发能够补充因缺陷态损失的光电流，由于离子迁移产生的内建电场会随光热过程的强度产生周期性变化。据此，我们首次报道了基于离子测辐射热效应的钙钛矿探测器，对红外和太赫兹波可实现kV/W的高响应。同时，基于离子辐射热效应的探测器展示出进行大面积成像应用的潜力。相关成果以“Ion-Bolometric Effect in Grain Boundaries Enabled High Photovoltage Response for NIR to Terahertz Photodetection”为题发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。

三、[核心创新点]

（1）深入研究了：晶界处的I^-离子受光热激发后，富集到电极/钙钛矿界面，产生自发极化电场的过程。我们称其为离子测辐射热效应；

（2）利用该过程，提出并构建了（首个）离子测辐射热探测器，能够实现宽谱（红外-太赫兹）的光热电压响应，灵敏度达75.3kV/W@1064nm，2.3kV/W@0.22THz。

四、[数据概览]

图1 （a）制备钙钛矿辐射热计的FIB原理图。（b-d）不同类型的辐射热计的SEM图像。（e-g）暗态和1064 nm光照下的电流-电压(I-V)曲线。 ©2023 Wiley-VCH Verlag

图2 （a）不同类型的辐射热计的电流作为1064nm功率强度的函数。（b）MAPbI₃的 CAFM测量结果。（c）CAFM图中白色虚线对应的电流和高度图。（d-f）不同类型的辐射热计随周期变化的光电流响应特征曲线。 ©2023 Wiley-VCH Verlag

图3 电极化及叠加光极化后，薄膜表面（a）I 3d和（b） Pb 4f的XPS峰，以及I/Pb比值。（d）不同类型的辐射热计随周期变化的1064nm激光，产生的光电流响应特征曲线。（e）离子-测辐射热效应示意图。（f）不同类型的辐射热计的电压响应度作为1064nm功率强度的函数。 ©2023 Wiley-VCH Verlag

图4 (a)带埋底天线的太赫兹辐射热计三维示意图。（b）带埋底天线的太赫兹辐射热计在0.22 THz不同功率密度下的I-V特性。（c）离子辐射热计的光电压和电压响应度作为0.22 THz功率强度的函数。（d）太赫兹成像实验装置示意图。e)中空花纹金属板的光学图像(下)和通过辐射热计获得的太赫兹成像(上)。 ©2023 Wiley-VCH Verlag

五、[成果启示]

离子测热效应结合了测热计效应的广谱特征和离子迁移引起的温度敏感性，为通过晶界工程改进室温辐射热计的性能提供了一个新思路。

原文详情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202213970

本文由作者供稿