羅軍華團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)高性能偏振光探測(cè)器

中國(guó)科學(xué)院福建物構(gòu)所羅軍華團(tuán)隊(duì)首次報(bào)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(cè)器。該探測(cè)器表現(xiàn)出優(yōu)異的偏振光探測(cè)性能，包括超高的偏振靈敏度、大光暗電流開(kāi)關(guān)比和高探測(cè)率。

偏振光電探測(cè)器是光通訊技術(shù)的核心部件之一，在近場(chǎng)成像、遙感和高分辨探測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。偏振光探測(cè)器的制備對(duì)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(duì)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(lái)，二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦作為一類新興的低維半導(dǎo)體材料，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)各向異性和化學(xué)多樣性，在偏振光電探測(cè)方面已經(jīng)取得了重大的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展。然而，受其光學(xué)吸收的限制，在二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料中實(shí)現(xiàn)高偏振靈敏度仍然是一個(gè)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(tuán)隊(duì)通過(guò)“異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑”策略，設(shè)計(jì)并生長(zhǎng)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(cè)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(shì)：

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(qiáng)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(chǎng)。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(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)。該內(nèi)建電場(chǎng)使得器件可在零偏壓工作的同時(shí)促進(jìn)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(cè)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(qiáng)度下光電導(dǎo)各向異性；（D）在零偏壓下，異質(zhì)結(jié)探測(cè)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(chǎng)的驅(qū)動(dòng)（零偏壓）下，基于該二維/三維異質(zhì)結(jié)晶體的光電探測(cè)器表現(xiàn)出極高的偏振靈敏度，偏振比高達(dá)~17。此偏振比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了二維純相有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料（~2），是目前雜化鈣鈦礦材料偏振探測(cè)器件報(bào)道的最高值。

研究表明，異質(zhì)結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)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(dòng)力，是獲得高偏振靈敏度的主要原因。同時(shí)，此偏振光電探測(cè)器還具有大的光暗電流開(kāi)關(guān)比（~105）和高探測(cè)率（~1010）。上述結(jié)果說(shuō)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(jì)高偏振特性的光電探測(cè)材料開(kāi)辟了新途徑，同時(shí)進(jìn)一步拓展了有機(jī)-無(wú)機(jī)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