日前，我校物理與光電工程學(xué)院的李國(guó)輝團(tuán)隊(duì)與陜西師范大學(xué)的劉生忠教授和劉渝城研究員合作，在二維單晶鈣鈦礦光電探測(cè)器的弱光探測(cè)領(lǐng)域取得了重要研究進(jìn)展。研究論文以“Mitigating Noise Current in 2D Perovskite Single Crystal Photodetectors for Imaging under Black-Light Condition”為題，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》（影響因子18.5）上。該論文的第一署名單位為太原理工大學(xué)，我校博士研究生郤育鶯為第一作者，李國(guó)輝副教授、劉渝城研究員和崔艷霞教授為共同通訊作者。

圖1. 論文頁(yè)面截圖

弱光成像在天文攝影、軍事夜間監(jiān)視和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域都發(fā)揮著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的弱光探測(cè)器基于硅和銦鎵砷等半導(dǎo)體材料，制備工藝復(fù)雜，制備成本較高。鈣鈦礦作為一種低成本半導(dǎo)體材料在弱光探測(cè)領(lǐng)域取得一定進(jìn)展。然而，對(duì)于不同n值2D鈣鈦礦光電探測(cè)器中影響噪聲電流與弱光探測(cè)的機(jī)制尚不清楚。

本團(tuán)隊(duì)基于上述問(wèn)題，首先針對(duì)不同n值的2D單晶鈣鈦礦光電探測(cè)器的弱光探測(cè)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，其中，n值為1的光電探測(cè)器具有極低的噪聲電流，在532 nm光照下的最低可探測(cè)光功率密度的極限值為14 pW cm^-2，對(duì)應(yīng)的器件具有3.25 × 10¹⁵ Jones的高探測(cè)率。即使在75 pW cm^-2的“黑光”環(huán)境條件下，n值為1的光電探測(cè)器也能獲得清晰成像。研究表明2D鈣鈦礦單晶n值的降低對(duì)應(yīng)陽(yáng)離子PEA⁺比值的增加，導(dǎo)致缺陷減少，離子遷移活化能和激子結(jié)合能增加，這有效降低了電子/空穴、離子和激子等動(dòng)態(tài)行為在器件中引起的噪聲電流。同時(shí)，抑制離子遷移可以顯著提高噪聲電流基線的穩(wěn)定性，這有利于對(duì)微弱信號(hào)的穩(wěn)定探測(cè)。本工作強(qiáng)調(diào)了2D鈣鈦礦在推進(jìn)弱光成像技術(shù)方面的潛力，為該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展提供了思路。

圖2. 2D單晶鈣鈦礦光電探測(cè)器的性能表征與“黑光級(jí)”成像效果

圖3. 2D單晶鈣鈦礦光電探測(cè)器中噪聲電流的影響機(jī)制

圖4. 2D單晶鈣鈦礦的離子遷移對(duì)器件中電流穩(wěn)定性的影響

該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U21A20496, 61905173, 12104334)；山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(202102150101007)；山西省留學(xué)回國(guó)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目(20230011)；山西浙大新材料與化工研究院研發(fā)項(xiàng)目(2021SX-FR008，2022SX-TD020)；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目（YDZJSX20231A010, YDZJSX2021A012）；山西省自然科學(xué)基金 (20210302123154，202203021222102)；山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2021-033)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202407525