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          基于MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料的快速、自驅(qū)動(dòng)、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的近紅外-太赫茲光電探測(cè)器
          
						
          
							發(fā)布時(shí)間：2020-09-02     作者：harry   分享到：
							
          
								
          
								
							
          
						
          
						
          
						
          由單一器件構(gòu)成的近紅外-太赫茲（NIR-THz）寬譜光電探測(cè)器在成像，遙感，通信和光譜學(xué)等諸多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。特別是隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，空間網(wǎng)絡(luò)通信和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域迫切需要具有自驅(qū)動(dòng)、快速響應(yīng)和室溫運(yùn)轉(zhuǎn)性能的太赫茲探測(cè)器。然而，現(xiàn)有的商用探測(cè)器（如bolometer, Golay cells, Schottky diodes等）很難滿足要求。近年來，隨著新型半導(dǎo)體材料的發(fā)展，基于塞貝克效應(yīng)的光熱電(PTE)探測(cè)器，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自供電、低功耗和室溫操作等優(yōu)點(diǎn)，在寬帶檢測(cè)中顯示出了潛在的應(yīng)用前景，成為NIR-THz波段檢測(cè)的優(yōu)秀候選者。
          一般來說，對(duì)于提高PTE器件整體響應(yīng)的塞貝克系數(shù)**的策略是用兩種不同的材料構(gòu)建異質(zhì)結(jié)。近年來，有科研小組證明鈣鈦礦材料不僅具有**的光電特性，還是一種極具潛力的熱電材料，具有較大的賽貝克系數(shù)和較低的熱導(dǎo)。同時(shí)，PEDOT:PSS熱電器件因其高熱電性能（其更高的賽貝克系數(shù)可達(dá)436 μV/K，電導(dǎo)可達(dá)104 S/m）、簡(jiǎn)單和柔性的制備工藝等特性而受到越來越多的關(guān)注。因此，將這兩種高熱電性能的材料有機(jī)的結(jié)合在一起能夠制備出具有高性能的熱電探測(cè)器并**地應(yīng)用于NIR-THz波段檢測(cè)。
          【成果簡(jiǎn)介】
          近日，天津大學(xué)姚建銓院士、張雅婷副教授、李依凡博士課題組提出利用MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料制備了具有快響應(yīng)的自驅(qū)動(dòng)室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的光電器件，實(shí)現(xiàn)了NIR-THz寬光譜探測(cè)。通過MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了光熱電系統(tǒng)的賽貝克系數(shù)提高了器件的整體響應(yīng)度，同時(shí)利用MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料特性實(shí)現(xiàn)了快響應(yīng)探測(cè)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)28 μs。該器件的研究為高性能、快速、自驅(qū)動(dòng)、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的近紅外-太赫茲寬譜探測(cè)器的研制提供了新的途徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C 2020年DOI: 10.1039/D0TC02399J。
          較低的響應(yīng)度和超慢的響應(yīng)速度是制約自驅(qū)動(dòng)太赫茲光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素，同時(shí)室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的困難也是不容忽視的一個(gè)問題。為解決此難點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)通過MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)器件整體的賽貝克系數(shù)，同時(shí)提升器件的光電性能轉(zhuǎn)化能力。通過賽貝克系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料制備的器件賽貝克系數(shù)值高達(dá)525 μV/K, 比單純的MAPbI3 器件高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，從太赫茲波段的吸收光譜來看，MAPbI3 /PEDOT:PSS器件吸收率要比單純的MAPbI3 器件高。
          電流-電壓（I-V）特性實(shí)驗(yàn)顯示，MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料器件在正負(fù)5 mV范圍內(nèi)展示出**的賽貝克效應(yīng)I-V特性曲線。由于異質(zhì)結(jié)和器件不同材料能級(jí)差，導(dǎo)致器件在無光照條件下形成內(nèi)建電場(chǎng)，I-V曲線不過零點(diǎn)。通過分析表明內(nèi)建電場(chǎng)方向與賽貝克效應(yīng)所產(chǎn)生的電場(chǎng)方向相反。光電特性曲線顯示， MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料器件在1064 nm和 2.52 THz波長(zhǎng)范圍內(nèi)的多波段激光輻照下展示出穩(wěn)定且可重復(fù)的光開關(guān)特性，隨著輻照光波長(zhǎng)的增加，光響應(yīng)度降低。同時(shí)，在零偏壓下表現(xiàn)出快的響應(yīng)速度為28 μs @1064 nm。
          在此基礎(chǔ)上，利用光熱電理論模型以及溫度/光電流變化曲線充分證明了該器件的光熱電效應(yīng)機(jī)制。
          這項(xiàng)工作表明，MAPbI3 /PEDOT:PSS器件是構(gòu)建快響應(yīng)、自驅(qū)動(dòng)、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的近紅外-太赫茲寬帶探測(cè)器有潛力的候選材料，為未來自驅(qū)動(dòng)室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的寬帶、高靈敏度新型光電探測(cè)器研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
          該工作近期以“A Fast Response, Self-Powered and Room Temperature Near
          Infrared-Terahertz Photodetector Based on MAPbI3 /PEDOT:PSS Composite”為題發(fā)表在期刊Journal of Materials Chemistry C（DOI: 10.1039/D0TC02399J）上，文章作者為博士研究生李依凡，通訊作者為張雅婷副教授，姚建銓教授。
          相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（61675147, 61605141, 61735010, 91838301）國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2017YFA0700202）和深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JCYJ20170412154447469）天津大學(xué)北洋青年教師項(xiàng)目（No. 2019XRG-0056）等項(xiàng)目的資助。
          【圖文導(dǎo)讀】
          圖1 MAPbI3 /PEDOT:PSS材料表征
          圖2 MAPbI3 /PEDOT:PSS器件I-V特性曲線特性
          圖3 MAPbI3 /PEDOT:PSS器件近紅外-太赫茲光電響應(yīng)
          圖4 MAPbI3 /PEDOT:PSS器件近紅外-太赫茲光熱電理論機(jī)制分析
          圖5 MAPbI3 /PEDOT:PSS器件響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

          【作者團(tuán)隊(duì)介紹】

          姚建銓院士、張雅婷副教授團(tuán)隊(duì)由姚建銓院士和張雅婷副教授以及若干博士生和碩士生所組成，屬于天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的激光與光子學(xué)研究所中的一支科研力量。
          近年來致力于光電器件的研究工作，研究的器件包括光電探測(cè)器、太赫茲探測(cè)器、光電存儲(chǔ)器等。相關(guān)領(lǐng)域共發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇，SCI收錄70余篇（近5年論文50余篇，其中一區(qū)論文17篇。其中一篇篇論文于2017發(fā)表在ACS Photonics上，當(dāng)年被該雜志評(píng)為亞洲地區(qū)高被引論文榜第5位，2019被SCI評(píng)為高被引論文。
          相關(guān)領(lǐng)域的其他論文還有：
          1. Journal of Physical Chemistry Letters, 2020, 11(3):767-774, 10.1021/acs.jpclett.9b03409
          2. Journal of Materials Chemistry, 2020, 8(6):2178-2185,10.1039/c9tc06230k
          3. Photonics Research, 2020, 8(3):368-374,10.1364/PRJ.380249
          4. Photonics Research, 2020, Accepted,
          5. Carbon, 2020, 163:34-42, 10.1016/j.carbon.2020.03.019
          6. Photonics Research, 2019, 7(2):149-154, 10.1364/PRJ.7.000149
          7. Nanoscale, 2019, 11(12):5746-5753, 10.1039/c9nr00675c
          8. Advanced Optical Materials, 2018, 6(21):1800639, 10.1002/adom.201800639
          9. Advanced Optical Materials, 2017, 5(2):1600434, 10.1002/adom.201600434
          10. Journal of Physical Chemistry Letters, 2017, 8(2):445-451, 10.1021/acs.jpclett.6b02423
          11. ACS Photonics, 2017, 4(3):584-592, 10.1021/acsphotonics.6b00896
          12. ACS Photonics, 2017, 4(4):950- 956, 10.1021/acsphotonics.6b01049
          13. ACS Applied Materials and Interfaces, 2017, 9    37: 32001-32007, 10.1021/acsami.7b06629
          14. ACS Photonics, 2017, 4(9):2220-2227, 10.1021/acsphotonics.7b00416
          15. Advanced Optical Materials, 2017, 5(24):1700565, 10.1002/adom.201700565
          16. Journal of Materials Chemistry C, 2016, 4(7):1420-1424, 10.1039/c5tc04007h
          本文由天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院姚建銓院士團(tuán)隊(duì)供稿。

          
						
          
						
          
							
							
						
          
					
          
				
          
			
          
		
          
	
          

    







          
		
          
			
			
			
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