新型高效二元钙钛矿光电探测器,可实现亚毫米级精度的3D传感

发表时间:2022-09-16 16:27

据麦姆斯咨询报道,多伦多大学(University of Toronto)和巴塞罗那科学技术研究所(Barcelona Institute of Science and Technology)的研究人员近期开发了一种新的溶液处理钙钛矿光电探测器,展示出卓越的效率和响应时间。这种新型探测器具有独特的设计,可以防止在不同层之间形成缺陷,该研究成果已发表于近期的Nature Electronics

Edward H.Sargent说:“业界对自动驾驶和消费电子产品中的3D传感应用越来越感兴趣。多年来,我们团队一直致力于寻找能够支持下一代图像传感器等光传感技术的新材料,并努力使其能够实现商业和社会价值。”

光电探测器是一种检测或响应光的传感器件,具有非常广泛的应用价值。例如,它们可以集成在机器人系统、自动驾驶车辆、消费电子、环境传感、光纤通信系统和安全系统中。

“在这些应用中,光电探测器需要在超出人类视觉的波长范围内进行快速的光电检测。”论文第一作者Amin Morteza Najarian说,“硅基的传统方案,是电子读出的理想选择,由于其间接带隙,其本身无法将高效与高速结合起来。硅在近红外波段的吸收较弱,限制了硅在宽带光电探测器中的应用。”

在一系列初步的计算研究中,Sargent和他的团队发现了一种具有高载流子迁移率和高吸收系数的二元钙钛矿,可以在效率和速度方面与目前使用的材料竞争。基于这种新发现的活性材料,他们开发了新型光电探测器。

“当光被钙钛矿活性层吸收时,光生电子和空穴通过电子和空穴传输层被提取。”该论文共同作者Maral Vafaie介绍说,“为了实现快速响应时间,这些电荷载流子必须在包括传输层在内的器件中快速移动。氧化镍(NiOx)具有高结晶度和高迁移率的特点,使其成为空穴传输层的理想选择。”

当他们第一次开始测试时,研究人员发现,PbSn钙钛矿的抗氧化策略和NiOx层之间存在化学不相容性。因此,他们设计了一种从器件中去除氧气的方法,转化不需要的锡物质,并确保不留下任何有害残留物。

在初步评估中,研究人员开发的光电探测器在量子效率和响应时间方面都取得了非常有希望的结果。该团队还证明,他们开发的器件可以提供亚毫米级别的距离分辨率,典型标准偏差50 µm。


研究人员为激光雷达制作PbSn钙钛矿


Sargent和Morteza Najarian说:“我们证明利用这种二元钙钛矿制备的光电探测器,其近红外光(850 nm)转换为电信号的效率高于85%,暗电流低于10⁻⁸ A/cm²,响应时间快于100 ps。与之前报道的溶液处理光电探测器相比,改善了100倍。我们展示了亚毫米级别的空间分辨率性能(即深度分辨率)。”

未来,研究人员开发的这种新溶液处理钙钛矿光电探测器,在激光雷达、自动驾驶或机器人传感领域有望被证明具有应用价值。同时,研究人员计划继续寻找优秀材料,并为各类传感技术设计新的组件。

Sargent和Morteza Najarian补充说:“在远距离激光雷达应用中,只有一小部分来自物体的散射光会到达光电探测器。如果将照明和探测转移到短波红外波段(例如1550 nm),则可以在不造成人眼安全问题的情况下,使用更高功率的照明光。为此,我们正在开发下一代III-V族化合物半导体探测器。”



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