研究背景
近年来，钙钛矿材料由于具有高的可见光吸收系数 (10⁵ cm⁻¹)、较长的载流子扩散长度 (80 nm)、大的载流子迁移率 (2060 cm²/(V·s)) 以及带隙可调等特性，所以受到了广泛的关注。但是当将 CsPbBr₃ 用于光电探测时，常出现暗电流高、响应速度慢和响应度低等问题。
为了提升 CsPbBr₃ 光电探测器件的性能，研究者们常采用构建异质结、同质结、场效应晶体管以及表面等离激元结构等策略。然而，这些方法在应用过程中不可避免地受到材料选型、掺杂技术、层数精确控制以及制备工艺复杂等多种因素的制约。
因此，制造出与现代平面工艺相兼容，制备工艺简单且兼具高响应性和快速响应时间的 CsPbBr₃ 光电探测器对于推动其在光电领域的实际应用发展至关重要。
文章简介
在本文研究中，基于能带理论，研究人员选择具有丰富表面电子态和金属型电导特性的近藤拓扑绝缘体 SmB₆ 纳米带和 Au 膜，分别作为 CsPbBr₃ 微米方片两端的电极。SmB₆ 纳米带的表面功函数 (2.76 eV ~ 4.30 eV) 一般低于 P 型半导体 CsPbBr₃ 的表面功函数 (4.55 eV ~ 4.79 eV)，而金属 Au 电极的功函数 (5.10 eV) 要高于 CsPbBr₃ 的功函数，因此在 SmB₆ 纳米带与 CsPbBr₃ 微米方片的界面处将形成肖特基势垒，而在 Au 电极和 CsPbBr₃ 微米方片的界面处则形成欧姆接触。利用此种器件结构设计，Au/CsPbBr₃/SmB₆ 结构可以形成一个非对称电极型探测器件。
Figure 1. 常压化学气相沉积法所制备 CsPbBr₃ 微米方片的典型形貌和晶格结构。
Figure 2. CsPbBr₃/SmB6 肖特基结的表面形貌、结构表征和光致发光特性。
随后，研究人员分别对比研究了非对称电极型 Au/CsPbBr₃/SmB₆ 光电探测器件和对称电极型 Au/CsPbBr₃/Au 光电探测器件在 0 V 下的光电响应特性，如 Figure 3 所示。实验结果表明，与对称型 Au/CsPbBr₃/Au 光电探测器件（比探测率 D* = 3.8 × 10⁸ Jones，光响应度 R = 0.000252 A/W ，外量子效率 EQE = 0.061% ）相比，非对称型 Au/CsPbBr₃/SmB₆ 光电探测器件的开关比提高了大约 3 倍，比探测率 (D* = 3.38 × 10¹⁰ Jones) 增大了近 100 倍，响应度 (R = 0.184 A/W) 显著提高了约 10³ 倍，且外量子效率大幅提升了近 10³ 倍。同时，非对称型器件的光响应时间从 177/370 ms 降低至 100/80 ms ，其工作稳定性也是优于其相应的对称型自驱动光电探测器件。更为重要的是，非对称电极型 Au/CsPbBr₃/SmB₆ 光电探测器件的光响应特性表现要优于绝大多数钙钛矿基的自驱动光电探测器件，这预示着其在未来的光通讯、工业自动化和环境监测等领域具有巨大的应用潜力。
Figure 3. 非对称电极型 Au/CsPbBr₃/SmB₆ 光电探测器件和对称电极型 Au/CsPbBr₃/Au 光电探测器件自驱动光响应特性曲线。
Figure 4. 非对称型电极型器件 (Au/CsPbBr₃/SmB₆) 和对称电极型器件 (Au/CsPbBr₃/Au) 在明 (514 nm)、暗条件的能带图。
论文信息
An advanced self-powered visible-light photodetector based on the asymmetric Au/CsPbBr₃/SmB₆ junction
Zairan Liu, Gang Cao, Zhaozhi Guan, Yan Tian, Jidong Liu , Jun Chen, Shaozhi Deng* and Fei Liu*（刘飞，中山大学）
J. Mater. Chem. C, 2024, 12, 17395-17402
https://doi.org/10.1039/D4TC03510K
作者简介
本文第一作者，中山大学博士生。硕士毕业于深圳大学，2020 年加入中山大学刘飞教授课题组攻读博士学位。博士研究课题为 CsPbBr3 的常压化学气相沉积及光电-温度特性研究。本工作中负责 CsPbBr3 的合成、非对称光电探测器件的制备及性能测试等。
本文通讯作者，中山大学教授，博士生导师，教育部“新世纪优秀人才支持计划”和广东省高等学校“千百十人才工程计划”入选者。主要研究领域为先进低维光电纳米器件构筑及其工作特性调控。目前，在 Science, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Science, ACS Nano 和 Nano Lett. 等国际知名期刊发表论文 100 余篇，先后主持国家重点研发专项课题、国家重大科学仪器设备专项课题、国家自然科学基金（面上项目、青年项目）等多项国家和省部级科研项目，并获得广东省科学技术协会“南粤优秀学术论文一等奖”，中国电子学会真空电子学分会“优秀青年论文奖”和中国真空学会“优秀博士论文奖”等学术奖励。
期刊介绍
rsc.li/materials-c
J. Mater. Chem. C
| 2-年影响因子* | 5.7分 |
| 5-年影响因子* | 6.0分 |
| JCR 分区* | Q1 物理-应用 Q2 材料科学-跨学科 |
| CiteScore 分† | 10.8分 |
| 中位一审周期‡ | 29 天 |
Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是，Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用，Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用，Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。
Editor-in-Chief
Natalie Stingelin
🇺🇸 佐治亚理工学院
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* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
📧 RSCChina@rsc.org
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