近年來，作為光電器件（如太陽能電池、發(fā)光二極管和激光器等）用新型半導(dǎo)體材料，三維鉛鹵鈣鈦礦因具有優(yōu)異的光電子性能被廣泛研究。然而，三維鈣鈦礦存在的鉛毒性以及穩(wěn)定性差等問題嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。低維鈣鈦礦材料由于其優(yōu)異的光電性能以及穩(wěn)定性，在光電應(yīng)用領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。除了用于光伏和發(fā)光二極管以外，低維鈣鈦礦已成為未來光電探測(cè)器有前途的候選者。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所杜鵑研究員、重慶郵電大學(xué)唐孝生教授在《發(fā)光學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為“低維鈣鈦礦光電探測(cè)器研究進(jìn)展”的綜述文章。

該綜述以提升光電探測(cè)器的穩(wěn)定性及光響應(yīng)性能為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)地綜述了新型低維鈣鈦礦光電探測(cè)器的最新研究進(jìn)展，對(duì)低維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、光電探測(cè)器種類及性能參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)低維鈣鈦礦在光電探測(cè)器應(yīng)用中面臨的問題進(jìn)行了總結(jié)，也對(duì)該研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向進(jìn)行了討論。

1 引言

光電探測(cè)器可以將入射光（紫外光、可見光或紅外線等）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這對(duì)各種工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要，包括成像、光通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物傳感。半導(dǎo)體材料是光電探測(cè)器的重要組成部分，到目前為止，諸多半導(dǎo)體材料已經(jīng)被用于光電探測(cè)器，包括硅、碳納米管、III-V化合物、量子點(diǎn)等，并在改善光探測(cè)性能和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得了令人矚目的進(jìn)展。然而，基于這些材料的光電探測(cè)器通常需要昂貴的、嚴(yán)格的工藝和操作條件，從而阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。因此，尋找成本更加低廉、工藝更加簡(jiǎn)單的候選材料，進(jìn)一步提高光電探測(cè)器的性能，降低成本，簡(jiǎn)化制作過程，具有重要意義。

三維金屬鹵化物鈣鈦礦材料獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其擁有眾多奇特的化學(xué)和物理性質(zhì)，并且基于三維鈣鈦礦材料的光電器件表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，制造成本低廉。然而，三維鈣鈦礦材料在高溫、高濕度以及光照條件下容易受到破壞，所以長(zhǎng)期穩(wěn)定性差以及鉛毒性是阻礙其走向?qū)嶋H應(yīng)用的兩個(gè)主要因素。為了克服這些問題，研究人員引入新型低維鈣鈦礦材料（如圖1），針對(duì)不同的器件配置將其加入活性層中，得到了與三維鈣鈦礦相媲美的性能并表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的溫濕穩(wěn)定性。

圖1（a）二維Ruddlesden-Popper；一維（b）和零維（c）鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光響應(yīng)性能調(diào)控

2.1 低維鈣鈦礦光電探測(cè)器

低維鹵化物鈣鈦礦由于其獨(dú)特的光電性質(zhì)以及比三維鈣鈦礦更高的穩(wěn)定性，近年來在光電探測(cè)器方面得到了廣泛的研究。其中，二維（2D）層狀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光電探測(cè)器顯示出可調(diào)諧的光響應(yīng)以及較短的響應(yīng)時(shí)間（毫秒）。特別地，基于三層2D鈣鈦礦材料的光電探測(cè)器在輸出電流、響應(yīng)率、光導(dǎo)率和響應(yīng)時(shí)間等方面都優(yōu)于其他層數(shù)的2D鈣鈦礦材料，這主要?dú)w因于其具有更小的光學(xué)帶隙和更緊湊的微觀結(jié)構(gòu)。此外，相較于薄膜以及大塊晶體，低維鈣鈦礦納米線由于其各向異性和小尺寸效應(yīng)而表現(xiàn)出獨(dú)特的光電特性，光生載流子沿軸向高效傳輸，有利于改善光電探測(cè)器的電荷提取效率，優(yōu)異的器件性能來源于層狀鈣鈦礦中自由載體邊緣傳導(dǎo)和電阻跳變屏障的高效組合。然而，研究表明基于1D 鈣鈦礦光電探測(cè)器的響應(yīng)度低于3D或2D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，相對(duì)較低的響應(yīng)度可能是由于1D鈣鈦礦材料較大的激子結(jié)合能導(dǎo)致載流子遷移率較低，或1D鈣鈦礦材料與電極之間接觸較差，因此，需要開展更多的研究來解決這一問題。

2.2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的低維鈣鈦礦光電探測(cè)器

由兩種或兩種以上具有不同功能的材料組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望表現(xiàn)出單一材料系統(tǒng)無法表現(xiàn)的物理現(xiàn)象，并能極大地?cái)U(kuò)展其在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用功能。要充分發(fā)掘其潛在的應(yīng)用，對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和可控合成是必不可少的。研究表明，單晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦光電探測(cè)器表現(xiàn)出低暗電流、高開關(guān)電流比。除了二維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器之外，基于二維材料/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器也得到廣泛研究，其結(jié)合了二維材料的高載流子遷移率和鈣鈦礦材料優(yōu)越的光學(xué)性能，在具備同樣甚至更高的探測(cè)性能的同時(shí)，器件穩(wěn)定性也得到了改善?；诃h(huán)保型的理念使低維無鉛鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器受到了廣泛關(guān)注。但與基于鉛的異質(zhì)材料相比，其光電探測(cè)性能仍不能令人滿意，需要開展更多的相關(guān)研究工作以進(jìn)一步提高其性能。

2.3 低維柔性鈣鈦礦光電探測(cè)器

與傳統(tǒng)的基于剛性硅基板的光電探測(cè)器相比，柔性光電探測(cè)器由于耐用性、抗沖擊、可彎曲、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴和便攜式器件領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用。值得慶幸的是，鈣鈦礦可以通過溶液工藝進(jìn)行制備，這使得它們有可能組裝成輕便型柔性光電探測(cè)器。

3. 展望

隨著光電子技術(shù)的快速發(fā)展，低維鈣鈦礦在環(huán)境穩(wěn)定性方面的研究也在不斷深入，通過調(diào)整維數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)，具有不同光電性質(zhì)的低維鈣鈦礦有望為各種光電應(yīng)用提供更多的可能性。此外，由于其晶體結(jié)構(gòu)獨(dú)特、載流子遷移率較高、擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)和穩(wěn)定性高，低維鈣鈦礦光電探測(cè)器已經(jīng)表現(xiàn)出了卓越的性能和較好的穩(wěn)定性。然而，低維無鉛鈣鈦礦和基于三維鉛基鈣鈦礦在器件性能上仍存在差距，低維鈣鈦礦器件的工作機(jī)理、材料固有性質(zhì)和復(fù)合動(dòng)力學(xué)仍不清晰，需要進(jìn)行更深層的研究，為進(jìn)一步的器件優(yōu)化提供有效的指導(dǎo)。同時(shí)，深入了解低維鈣鈦礦體系的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系，對(duì)合理設(shè)計(jì)和精細(xì)操作鈣鈦礦體系的光電性質(zhì)也很有必要。

論文信息

楊潔, 皮明雨, 張丁可, 等. 低維鈣鈦礦光電探測(cè)器研究進(jìn)展[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2021, 42(6):755-773. DOI：10.37188/CJL.20210033