羅軍華團隊開發(fā)高性能偏振光探測器

中國科學(xué)院福建物構(gòu)所羅軍華團隊首次報道了一種基于二維/三維雜化鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)單晶的偏振光探測器。該探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的偏振光探測性能，包括超高的偏振靈敏度、大光暗電流開關(guān)比和高探測率。

偏振光電探測器是光通訊技術(shù)的核心部件之一，在近場成像、遙感和高分辨探測等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。偏振光探測器的制備對工作介質(zhì)有很高的要求，除了優(yōu)良的光吸收能力外，材料本身還需具有不對稱的形態(tài)或晶體結(jié)構(gòu)，上述特性使得材料能夠展現(xiàn)出各向異性的光響應(yīng)能力。

近年來，二維有機-無機雜化鈣鈦礦作為一類新興的低維半導(dǎo)體材料，因其獨特的結(jié)構(gòu)各向異性和化學(xué)多樣性，在偏振光電探測方面已經(jīng)取得了重大的發(fā)現(xiàn)和進展。然而，受其光學(xué)吸收的限制，在二維有機-無機雜化鈣鈦礦材料中實現(xiàn)高偏振靈敏度仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所羅軍華團隊通過“異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑”策略，設(shè)計并生長了一類新型的二維/三維單晶雜化鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)（4-AMP）（MA）2Pb3Br10/MAPbBr3（MA = 甲胺; 4-AMP = 4-氨甲基哌啶），并首次將這一材料體系應(yīng)用于偏振光電探測的研究。

（A）二維/三維單晶雜化鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)示意圖；（B）不同三維層厚度的異質(zhì)結(jié)晶體；
（C）不同濃度亞錫離子摻雜的二維/三維異質(zhì)結(jié)晶體。

該種單晶異質(zhì)結(jié)具有諸多優(yōu)勢：

載流子傳輸高效。相比于絕大部分薄膜材料，晶體材料因其極低的缺陷密度為載流子高效傳輸提供了理想的介質(zhì)，光電響應(yīng)能力更加優(yōu)異。

將二維材料與三維材料完美結(jié)合。構(gòu)筑的二維/三維異質(zhì)結(jié)晶體不僅具有二維材料的結(jié)構(gòu)各向異性，而且具有三維材料優(yōu)異的半導(dǎo)體特性，包括強光吸收能力、高自由載流子濃度和高載流子遷移率。

形成內(nèi)建電場。由于（4-AMP）（MA）2Pb3Br10與MAPbBr3兩相間的電荷相互作用，在異質(zhì)結(jié)晶體界面處產(chǎn)生了強內(nèi)建電場。該內(nèi)建電場使得器件可在零偏壓工作的同時促進光生載流子的有效分離。

（A）二維/三維單晶雜化鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)光電探測器件示意圖；（B）平行和垂直異質(zhì)結(jié)界面方向的光電導(dǎo)；
（C）不同光照強度下光電導(dǎo)各向異性；（D）在零偏壓下，異質(zhì)結(jié)探測器件的光電流與極化角的關(guān)系；（E）器件性能比較；（F）不同溫度下器件的偏振靈敏度。

在內(nèi)建電場的驅(qū)動（零偏壓）下，基于該二維/三維異質(zhì)結(jié)晶體的光電探測器表現(xiàn)出極高的偏振靈敏度，偏振比高達~17。此偏振比遠遠超過了二維純相有機-無機雜化鈣鈦礦材料（~2），是目前雜化鈣鈦礦材料偏振探測器件報道的最高值。

研究表明，異質(zhì)結(jié)的內(nèi)建電場可抑制載流子的復(fù)合，為載流子分離/傳輸提供了有效的驅(qū)動力，是獲得高偏振靈敏度的主要原因。同時，此偏振光電探測器還具有大的光暗電流開關(guān)比（~105）和高探測率（~1010）。上述結(jié)果說明，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑策略取得了1+1》2的效果，為設(shè)計高偏振特性的光電探測材料開辟了新途徑，同時進一步拓展了有機-無機雜化鈣鈦礦材料在智能光電器件中的應(yīng)用。

研究以“Rational design of high-quality 2D/3D perovskite heterostructure crystals for record-performance polarization-sensitive photodetection”為題在線發(fā)表于National Science Review，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所博士生張馨元為第一作者，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所羅軍華研究員為論文的通訊作者。

編輯：jq