JACS：面向高性能光电探测器的二维钙钛矿晶体

【引言】

近年来有机无机杂化型钙钛矿材料在光电器件，例如在太阳能电池、发光二极管、光电探测器等方面具有显著的应用前景。特别是2015年杨培东课题组通过液相法成功制备出室温具有强荧光的二维层状晶体 (C₄H₉NH₃)₂PbBr₄，使得二维单晶钙钛矿材料迅速成为研究热点。二维单晶有机无机杂化钙钛矿材料中，无机成分提供了高的载流子迁移率和宽的带隙范围，而有机部分则提供结构差异、高效发光等性能。更为重要的是，二维层状钙钛矿晶体因具有直接带隙和高态密度而展现出丰富的光学性质，例如深蓝色发光、激发效应、高效吸收性。此外，相比于传统的多晶钙钛矿薄膜，二维单晶钙钛矿缺陷更少，以至于载流子扩散长度显著增加。因此这种液相制备的钙钛矿晶体很可能将在微纳光电器件具有显著的光学和电学性质。但是，在微纳器件制备过程，二维层状单晶 (C₄H₉NH₃)₂PbBr₄在一些溶剂（丙酮或者水）极具不稳定性，单个二维钙钛矿晶体微纳器件还尚未制备成功。因此，如何克服钙钛矿材料的不稳定性和设计二维单晶钙钛矿器件加工工艺是亟待解决的科研问题。

【成果简介】

北京时间12月14日，JACS在线发表了题为“高性能的二维单晶 (C₄H₉NH₃)₂PbBr₄钙钛矿光电探测器”(Two-Dimensional (C₄H₉NH₃)₂PbBr₄Perovskite Crystals for High Performance Photodetector)的研究论文，北京大学彭海琳教授和刘忠范院士为共同通讯作者。

本文亮点：为了解决二维钙钛矿晶体在微纳器件制备过程的不稳定性问题，利用单层石墨烯作为保护材料和电极材料，成功制备出第一个二维单晶钙钛矿光电探测器。在此基础上，设计石墨烯叉指电极，在单个二维钙钛矿晶体上展现出优异的光电性能：极低的暗电流（~0.1 nA）和高的电流开关比（10的三次方），实现高达2100A/W的光电响应度。

【图文导读】

图1.二维层状(C4H₉NH₃)₂PbBr₄结构表征图、器件制备示意图以及相应过程的光学图片

(a). 二维层状 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄结构示意图

(b). 二维层状 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄的低倍SEM图

(c). (b) 图中样品相应的选区电子衍射图

(d). 单层石墨烯辅助的二维层状 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄器件加工过程示意图

(e). 转移石墨烯之前，生长在硅片上的二维 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄晶体光学图片

(f). 干法转移石墨烯和浸泡丙酮之后的二维 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄晶体光学图片

(g). 未进行器件沟道加工前，石墨烯保护下的二维 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄晶体光学图片

(h). 利用单层石墨烯作电极的二维 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄器件光学图片

干法转移石墨烯覆盖在二维 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄晶体上，在微纳器件加工中能够保护二维钙钛矿材料，避免其在溶剂中的不稳定性。

图2.以石墨烯做源漏电极，二维单晶(C4H₉NH₃)₂PbBr₄光电探测器的光电性能表征

(a). 以石墨烯做源漏电极，二维单晶 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄光电探测器示意图

(b). 器件的SEM图

(c). 在波长为470 nm的入射光下产生的光电流分布图

(d). 光电流与入射光波长的函数关系图

(e). 光电流与入射光功率、偏压大小的三维函数关系图

图3.设计石墨烯叉指电极后，二维单晶(C4H₉NH₃)₂PbBr₄光电探测器的光电性能表征

(a). 石墨烯叉指电极的二维单晶 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄光电探测器示意图

(b). 器件的SEM图

(c). 在波长为470 nm的入射光下产生的光电流分布图

(d). 单个器件在无光照和不同光照强度下的典型I_SD-V_SD曲线

(e). 时间模式下器件的电流开关响应图，激光大小为1 mm², 光强为10 μW，偏压为0.5 V

(f). 有无光照切换下的光电流响应放大图

石墨烯叉指电极能够促进二维钙钛矿晶体对光的吸收范围和加强光和物质的相互作用，使得光电性能大为改善。

【小结与展望】

自成功制备出二维单晶有机无机杂化钙钛矿以来，虽然其具有良好的光学性质，却没有像其他二维材料在微纳器件方向开展广泛的应用。而本文的研究团队利用石墨烯保护二维单晶钙钛矿材料，克服了其在微纳器件加工中的不稳定性，首次成功制备出单个二维 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄光电探测器并研究了其本征光电响应行为。利用石墨烯叉指电极，二维 (C4H₉NH₃)₂PbBr₄光电探测器的性能得到了极大的提升。这项工作创造性地设计了二维单晶钙钛矿微纳器件加工的工艺，为二维单晶钙钛矿在光电子学应用领域开辟了道路。随着研究的进一步深入展开，相信二维单晶钙钛矿材料会给我们带来更多的惊喜。

文献链接：Two-Dimensional (C4H9NH3)2PbBr4 Perovskite Crystals for High Performance Photodetector.(J. Am. Chem. Soc, 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b11683)

本文由材料人编辑部欧洲杯线上买球 学术组漠河以北供稿。

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