• 文章推广

本篇研究来自湖北大学的李金华教授、屈钧娥副教授和王海人教授带领的课题组，本文对改进后的逆温结晶法合成的高质量毫米级单晶CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3以及对应的钙钛矿基平面光电探测器进行了系统的研究。

---

文章介绍

Planar Vis-NIR photodetectors based on organic-inorganic hybrid perovskite single crystal bulks

Juan Xin (辛娟), Qiang Wang（王强）, Jinhua Li*（李金华）, Kegang Wang（汪克刚）, Wenqiu Deng（邓文秋）, Junjun Jin（金俊君）, Ming Peng（彭明）, Mingqing Fang（方明清）, June Qu*（屈钧娥）, Hairen Wang*（王海人）

通讯作者：

• 李金华 湖北大学
• 屈钧娥 湖北大学
• 王海人 湖北大学

图1 (a) CH3NH3PbBr3和(b) CH3NH3PbI3单晶的X射线衍射谱。插图:两个单晶的光学照片。(c) CH3NH3PbBr3(黑线)和CH3NH3PbI3(红线)单晶的吸收光谱。(d) CH3NH3PbBr3光电探测器结构示意图。

图2 (a) CH3NH3PbBr3和 (b) CH3NH3PbI3光电探测器分别在520 nm和895 nm波长光照下的响应率。CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3光电探测器在 (c) 520 nm、偏压10 V和 (d) 895 nm、偏压4 V下的电流-时间响应行为。每个周期包含30s和80%周期(24秒)处于开态。

图3 单晶CH3NH3PbI3光电探测器的开关稳定性。

图1(a)和图1(b)为CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3单晶的X射线衍射谱，表明生长的晶体为纯钙钛矿相。如图1(c)所示，CH3NH3PbBr3单晶在可见光400-580 nm范围内具有强的光捕获能力，CH3NH3PbI3在400-900 nm波长范围内具有强的光捕获能力，且覆盖了整个可见光波长范围，并延伸到近红外波长范围。图1(d)为光电探测器示意图。图2(a)和图2(b)分别显示了在不同强度的520 nm和895nm光照下，两个单晶光电探测器的响应和偏置电压的关系。可见，两个单晶光电探测器的响应随偏置电压的增大而增大，几乎达到稳定值。在波长为520 nm、光强度为0.33 µW/cm2 的光照射下，CH3NH3PbBr3光电探测器的最高光响应可以达到 ~111 A/W。在波长为895 nm、光强度为0.01 µW/cm2的光照射下， CH3NH3PbI3光电探测器可以达到的最高光响应为 ~568 A/W。图2(c)和图2(d)显示了周期性光照下CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3光探测器的光电流，并且开态电流和关态电流在5个周期内表现出良好的稳定性，说明该器件具有良好的稳定性和快速响应性。如图3所示，对单晶CH3NH3PbI3光电探测器的开/关疲劳特性进行了测试。在100次的开/关照明下，几乎没有观察到器件的通道电流在有光照和无光照条件下的电流波动，表明单晶CH3NH3PbI3光电探测器具有优异的开关抗疲劳稳定性。总之，我们的研究为CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3单晶平面光电探测器在可见-近红外光检测应用中提供了一种思路。

研究背景 

有机-无机杂化卤化铅钙钛矿由于具有优异的吸光性能、长的载流子扩散长度和良好的载流子输运能力，在下一代光探测器的研究中得到了广泛的应用。然而，钙钛矿多晶材料存在大量晶界和缺陷，限制了其光电性能。钙钛矿单晶由于缺陷少、无晶界，是实现高性能光电探测器的一种可行策略。目前，大多数单晶器件都是采用垂直结构制作的。由于单晶块厚度大限制了其载流子的输运和分离能力，导致器件表现出较差的器件响应能力。利用改进的逆温结晶法（ITC）成功地生长出了高质量的CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3钙钛矿单晶，并制备出了具有高的光电流、高的响应率和良好的光开关稳定性的平面光电探测器, 为CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3单晶在Vis-NIR光检测应用上提供指导。

---

作者介绍

李金华教授，现工作于湖北大学材料科学与工程学院。2009年毕业于香港理工大学，之后在该校继续博后研究。2014年到湖北大学材料科学与工程学院工作。目前主要的研究兴趣包括功能材料在光电传感、生化传感及电能电池等领域的应用研究。