基于銅鹵化物單晶薄膜生長的深紫外光電探測器設(shè)計(jì)

深紫外光電探測器在導(dǎo)彈預(yù)警、臭氧層監(jiān)測、火焰探測等軍事和民用領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。

新興的銅鹵化物Cs3Cu2I5具有優(yōu)異的深紫外光吸收特性，且對環(huán)境水、光、熱的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鉛基鹵化物體系，是制備深紫外光電探測器的理想候選材料。

然而，目前報(bào)道的Cs3Cu2I5材料多為多晶薄膜態(tài)，內(nèi)部存在大量晶界，這一方面增加了載流子發(fā)生非輻射復(fù)合的幾率，劣化器件的光電性能，另一方面也會(huì)嚴(yán)重影響光電器件在實(shí)際使用過程中的壽命。

Cs3Cu2I5體單晶盡管具有良好的結(jié)晶度以及減少的缺陷態(tài)密度，但較大的厚度會(huì)導(dǎo)致較長的載流子遷移時(shí)間以及較高的載流子復(fù)合概率。

因此，從應(yīng)用的角度考慮，制備高質(zhì)量的Cs3Cu2I5單晶薄膜，實(shí)現(xiàn)其厚度從幾十納米到幾十微米可調(diào)，保證材料在大尺寸范圍內(nèi)具有高的結(jié)晶度和光學(xué)特性，是提升Cs3Cu2I5基光電器件性能的關(guān)鍵。

鑒于此，鄭州大學(xué)物理學(xué)院的史志鋒教授基于經(jīng)典成核理論和晶體生長速率分析，結(jié)合逆溫溶液生長以及溶劑蒸發(fā)技術(shù)，發(fā)展了一種簡單的過飽和溶液控制生長方法，在襯底上制備出大尺寸的Cs3Cu2I5單晶薄膜。

該單晶薄膜的厚度可以在45 nm~27.9 μm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)控，且可在多種襯底上直接生長，可滿足多種光電器件的片上集成制備要求。

通過原位監(jiān)測Cs3Cu2I5單晶薄膜的生長過程，研究人員闡明了以結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力為逆溫成核和蒸發(fā)結(jié)晶的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程。

與Cs3Cu2I5多晶薄膜相比，所制備的單晶薄膜具有更低的缺陷態(tài)密度（6.42×1011 cm?3）和更長的載流子擴(kuò)散長度（1.85 μm），這有效降低了光生載流子被缺陷態(tài)捕獲的幾率，增強(qiáng)了光生載流子被電極有效收集的效率。

因此，基于Cs3Cu2I5單晶薄膜的光電探測器對深紫外光（265 nm）的響應(yīng)度達(dá)到了158 A W?1。由于較低的缺陷態(tài)濃度和晶界密度，未封裝的紫外光電探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

上述研究成果不僅為Cs3Cu2I5單晶薄膜的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)調(diào)控生長提供了新的方案，而且有望促進(jìn)高性能深紫外光電探測器片上集成的進(jìn)一步研究。

圖1Cs3Cu2I5單晶薄膜的制備示意圖及生長動(dòng)力學(xué)分析

這一成果近期發(fā)表在國際權(quán)威期刊Nano Today上。文章的第一作者是鄭州大學(xué)的博士研究生馬敬麗，通訊作者為鄭州大學(xué)的史志鋒教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、河南省杰出青年科學(xué)基金和河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的支持。





審核編輯：劉清