西湖大学朱博文团队和合作者在柔性光电探测器领域取得进展

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑

柔性光电探测器在可穿戴健康监测、植入式光电器件和人工视觉系统等领域有广泛的应用前景。金属卤化物钙钛矿由于其优异的光电性能、可低温溶液制备以及与柔性基板的兼容性等特性，被认为是下一代柔性光电探测器的候选材料之一。迄今为止，基于金属卤化物钙钛矿的柔性光电探测器已经实现了优异的光电性能，包括高增益、高灵敏度和超长线性动态范围等。然而，多晶金属卤化物钙钛矿材料中较高的缺陷密度（较高的暗电流）和离子迁移现象（不稳定的暗电流）阻碍了它们的光电检测性能（如稳定性、信噪比和最低检测极限）。

近年来，研究者们已经提出了多种控制金属卤化物钙钛矿材料中缺陷密度和抑制其离子迁移现象的方法，例如材料组分调节、添加剂工程和界面工程等。值得注意的是，提高钙钛矿材料的电阻率已被证明是实现低暗电流的一种实用方法。然而，想要赋予柔性金属卤化物钙钛矿光电探测器与低噪声硅基光电探测器相当的高电阻率极具挑战性。同时，在传统的光电导型光电探测器中，暗电流和光激发的载流子在同一路径中传导（图1a）。因此，高电阻率反而会降低光电流和灵敏度。此外，由于信号电极和接地电极之间的电势差（图1c），传统的光电导型光电探测器中离子迁移现象难以避免。

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针对这一难题，西湖大学工学院朱博文团队和合作者提出了一种通用且有效的电场调制策略，可以减少光电导型金属卤化物钙钛矿光电探测器中的暗电流并抑制离子迁移。与传统的光电导型光电探测器的器件结构相比，引入了控制电极（Control electrode）来施加调控电压（图1b）。在控制电极的电场调制下，从接地电极注入的所有暗电流都可以被控制电极吸引和收集。此外，施加的控制电压可以改变信号电极和接地电极之间的电场分布（图1d）。由于信号电极周围的电势分布更加均匀，因此调控电压的引入可以有效地抑制信号电极区域附近的离子迁移。

通过引入调控电压，柔性光电探测器的暗电流降低了1000倍以上（从~5 nA降低到~5 pA），在520 nm（1 nW/cm²）光照下的比探测率达到1.1×10¹⁴ Jones。此外，金属卤化物钙钛矿中的离子迁移被有效抑制，并且电场调制的光电探测器在~8000 s的光照后几乎没有暗电流漂移（~1.3×10^-5 pA/s），表现出长期的工作稳定性。得益于其优异的光电探测性能，通过电场调制的柔性可穿戴光电传感器可以在低入射光强度（2 mW/cm²）下获得高保真的脉搏波形，这对于低功耗可穿戴电子产品的应用至关重要。最后，基于金属卤化物钙钛矿的光电探测器与16 × 16 (2 × 2 cm²) 像素密度的In₂O₃薄膜晶体管背板集成，用于弱光光照（500 nW/cm²）下的高对比度成像。

相关研究工作以“Enabling low-drift flexible perovskite photodetectors by electrical modulation for wearable health monitoring and weak light imaging”为题发表于Nature Communications。本工作的第一作者为唐颖捷（西湖大学2021级博士研究生）和金鹏（浙江大学研究生），通讯作者为西湖大学工学院特聘研究员朱博文和浙江大学杨旸教授。

图1.  传统光电导型光电探测器和电场调制下的光电探测器的比较。

图2. 电场调制下光电探测器暗电流抑制的工作机理。

图3. 光电导型和电场调制的柔性光电探测器的光电性能比较。

图4. 柔性光电探测器在可穿戴脉搏信号检测中的应用