论文题目：Self-Driving Perovskite Dember Photodetectors
作 者：曹国洋，张昊宇，王长擂，李孝峰*
论文概述：
2022年1月2日，Advanced Optical Materials最新上线苏州大学李孝峰教授团队研究论文“自驱动钙钛矿丹探测器（Self-Driving Perovskite Dember Photodetectors）”，为利用丹倍效应实现高性能自驱动光电探测提供了一个有前景的方案。江南大学理学院青年教师曹国洋博士与苏州大学光电科学与工程学院硕士生张昊宇为论文共同第一作者，李孝峰教授为通讯作者。李孝峰教授团队多年深耕微纳光电探测与转换器件领域，结合新材料、新机理及新结构，为高性能光电探测与转换器件提供了多种新方案。
研究背景：
近年来，自驱动光电探测器（SDPDs）因节能、独立、免维护、可持续性等优点而备受关注。现有的SDPDs主要是基于PN结或非对称肖特基接触。然而PN结型SDPDs 是由多种材料和半导体界面组成，依赖于复杂的掺杂和制备步骤，非对称肖特基接触的SDPDs需要复杂且精确的能带工程。已有研究表明，利用半导体中电子和空穴的迁移率差所产生的丹倍效应（原理见图1）也可实现自驱动光电探测。丹倍效应器件只需要一种类型的半导体，无需复杂的掺杂与能带工程，因此具有结构简单、响应快的特点。早期，丹倍效应已被用于HgCdTe红外探测器。然而由于材料的晶格、表面和界面的不稳定性以及缺乏系统性优化策略，HgCdTe红外探测器响应度和比探测率较低。
图1 单效应原理图
技术突破：
李孝峰教授团队对丹倍效应深入研究，发现欲增强丹倍效应，一方面电子和空穴迁移率的差异需足够大；另一方面在载流子收集方向须有较大的光生载流子浓度梯度，这要求半导体的光吸收能力非常强。钙钛矿恰好满足这两点要求。该团队基于钙钛矿材料，对SDPDs进行了理论预测、数值模拟和实验制备。理论预测提供了一个完善的丹电压方程（见图2），可用于详细的物理解释和丹电压操控。器件级光电模拟用于详细探究丹倍效应的激发条件与性能调控（见图3），并获得器件的光电响应，且所获得器件的光电响应与理论预测高度吻合。仿真结果表明，该器件对宽光谱(300 ~ 750 nm)敏感，响应度为3.8 A/W，比探测率为3.5×109 Jones，响应时间为0.13 μs。团队进一步制备了丹倍效应驱动的钙钛矿基SDPDs，成功观测到丹驱动的光电流和光电响应（见图4），获得的响应度、比探测率和上升(下降)时间分别为0.11 A/W、1.3×109 Jones和2.6 (3.5) μs。该研究为利用丹倍效应实现高性能自驱动光电探测提供了有前景的选择。
图2 丹电压方程
图3 丹探测器的数值模拟探究。（a）载流子收集方向上光生载流子产生率分布。（b）电子和空穴迁移率差异对器件响应电流的影响。掺杂浓度（c）和钙钛矿层厚度（d）对器件开路电压（即丹电压）和短路电流（即丹电流）的影响，其中“Analytical”为解析解。
图4 丹探测器的实验制备与性能测试。（a）钙钛矿MAPbI3薄膜上表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。（b）自驱动丹光电探测器的SEM截面图。（c）光照和暗态下器件的I-V曲线。（d）器件的时间响应。
观点评述：
本论文报道的丹倍型钙钛矿光电探测器扩展了一种基于钙钛矿的新型自驱动光电探测器，具有结构简单、制备简易、响应快等特点。此外，丹倍效应不同于PN结型光伏效应、肖特基势垒及光电导效应的地方在于，丹电流的方向由载流子的浓度梯度方向决定，而后三者的光响应电流方向通常由固化的内建电场或外置偏压决定。这意味着，丹倍效应探测器件的光电流方向可以独有地通过光场分布操纵，给人以更大的想象空间。例如该团队利用此特性提出了基于丹倍效应的双极性自驱动偏振探测器【ACS Photonics 2021, 8, 2459−2465】。借助回音壁模式共振和局域表面等离子共振实现TE和TM偏振光照下器件中光生载流子浓度梯度的反向分布，再结合丹电流特性，实现了TE和TM光照下，器件的光响应电流分别为正和负值。该双极性突破了传统偏振探测器单极性电流信号的限制，将偏振判据由响应电流的幅值改为极性，使判断更简单精确、快速且免功率标定。相信基于丹倍效应的自驱动光电探测器有望为偏振光探测、光通信等领域带来新的契机。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202101821
DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202101821
（来源：PhotoniX公众号）