近日，厦门大学与厦门市未来显示技术研究院的研究团队在钙钛矿窄带光电探测器研究领域取得重要突破，在期刊《Laser & Photonics Reviews》上发表题为“Spin-deposited Ruddlesden–Popper Polycrystalline Perovskites for Large-Area High-Sensitivity Filterless Narrowband Photodetectors with Ultrafast Response Speed”的研究论文。通过对二维钙钛矿多晶薄膜的激子吸收和载流子扩散特性精确调控，结合电荷收集窄化机制在3.6 μm厚的薄膜中成功实现了高灵敏度快速响应的钙钛矿窄带光电探测器，其窄带特性可通过有机大分子进一步精确调控，并基于旋涂工艺制备了大面积窄带传感阵列实现色分辨成像，为低成本、大面积、高性能钙钛矿窄带光电探测器的实际应用提供了新的技术路径。
传统的窄带光电探测器依赖于宽带探测器与窄带滤光片的组合使用，不利于器件的小型化。钙钛矿光电探测器（PNPD）因其优异光电性能、高缺陷容忍度、可室温液相低成本制备等优势使其在制备高性能、大面积窄带光电探测器上展现出巨大潜力。目前钙钛矿窄带光电探测器主要通过电荷收集窄化（CCN）机制实现，通常需要厚度超过60 μm的单晶钙钛矿增加短波长光子产生的载流子复合，抑制短波长光响应，从而实现自滤波PNPD。然而钙钛矿单晶的制备过程繁琐且耗时较长，同时其感光面积有限，难以满足大面积制备的需求。
本研究采用一步旋涂法制备二维Ruddlesden–Popper (RP) 相钙钛矿多晶薄膜作为光电探测器的吸光层，成功实现了光谱响应半峰宽低至12.7 nm的高灵敏度快速响应的PNPD，所需钙钛矿层的厚度仅为3.6 μm。团队发现，RP相钙钛矿天然形成的多量子阱结构使其具有明显的窄带激子吸收特性和有限的载流子扩散长度。此外，由于钙钛矿多晶薄膜表面和晶界处的缺陷密度较高，使得钙钛矿表面产生的激子复合增强，从而有效抑制短波光响应，实现窄带探测。
图1 钙钛矿多晶PNPDs的制备和窄带响应机制示意图
通过这一创新策略，研究团队可进一步通过改变RP相钙钛矿中有机大分子烷基链的长度，实现窄带响应特性和器件性能的精细调控。其中，最优器件的综合性能（峰值比探测率：1.09 × 1012 Jones，上升/下降时间：5.6/11.5 μs）显著优于已报道的同类型钙钛矿窄带光电探测器。更值得关注的是，基于旋涂工艺的制备优势，研究团队成功制备了由6 × 6个PNPD组成的大面积传感阵列（有效面积4 cm2），该传感阵列上的36个PNPD表现出均匀的器件光响应并成功实现了清晰的窄带成像，且弱光响应良好，验证了该窄带探测方案的可扩展性。
图2 通过钙钛矿的组分调节实现可见光范围内窄带探测范围可调的PNPDs及大面积传感阵列在弱光下的色分辨成像
研究团队通过精确调控二维钙钛矿多晶薄膜的激子吸收与载流子扩散特性，结合电荷收集窄化机制，成功制备了高灵敏度、快速响应的窄带光电探测器，并实现了清晰的弱光色分辨成像。该研究为低成本、大面积、高性能钙钛矿窄带光电探测器的实际应用提供了重要技术支撑，有望推动其在光电探测领域的广泛应用。团队长期致力于高性能半导体光电器件的研究，近年来，已在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Laser Photonics Rev.、IEEE EDL等权威期刊发表了多篇研究成果。
本工作由厦门大学、厦门市未来显示技术研究院张荣院士团队完成，电子科学与技术学院陈孟瑜助理教授为该论文的通讯作者。电子科学与技术学院博士生卢丽华为第一作者。这项工作得到了国家重点研发计划（2022YFF0609504）、福建省自然科学基金（2024J01055）的资助。
（来源：厦大科创梦工厂）
