撰稿：丁楠
本文由论文作者团队（课题组）投稿
近期，吉林大学集成光电子国家重点实验室宋宏伟教授与大连民族大学徐文教授等人在Light: Science & Applications发表题为" A novel approach for designing efficient broadband photodetectors expanding from deep ultraviolet to near infrared" 的高水平论文。
本文第一作者为吉林大学博士生丁楠，通讯作者为吉林大学宋宏伟教授，大连民族大学徐文教授。
团队通过创新性提出基于CsPbCl3：Cr3+，Ce3+，Mn2+ 钙钛矿量子点（PQDs）聚光器（紫外光转换可见光），Er3+ 掺杂CsPbl3 PQDs，有机异质结PBDB-TF:BTP-4Cl （BHJ），实现从深紫外到近红外（200-1000 nm）高效响应，高稳定性的宽带光电探测器（PDs）。
光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。
宽带光电探测在很多重要的领域有重要的应用，包括遥感，红外成像，天文探测，环境监测，光谱分析等领域。
真正意义上的宽带探测需要能同时实现对不同波长范围的高灵敏响应如紫外（λ<400 nm），可见（400<λ<760>760 nm），这是相当具有挑战性的。
传统的Si PDs和InGaAs PDs一方面仅能实现在可见区域或红外区域探测，很难实现从紫外到可见到近红外的探测；同时，存在响应度低以及成本高等问题。
钙钛矿材料具有宽的吸收范围，高的吸收系数和载流子迁移率等优点，使其在太阳能电池，光电探测器，发光二极管等领域受到了广泛关注。
铅基钙钛矿（CsPbX3：X=Cl，Br，I）PQDs具有高的发光量子效率，窄的发光半高宽，大的吸收截面，可调的带隙使其在光电领域有很好的应用前景。尤其是CsPbI3 PQDs 具有窄的带隙（1.73 eV），可以将其应用于可见区域光电探测领域（400-700 nm）。然而，由于带隙的限制，缺少对紫外区域和近红外区域的探测。同时CsPbI3 PQDs 相对高的缺陷态密度以及低的材料稳定性，阻碍了其进一步应用。
为了实现高效、稳定的宽带响应光电探测器件，主要通过以下三方面进行研究：
1、通过稀土铒离子（Er3+）掺杂CsPbI3 PQDs来提高可见光区域响应性能和器件稳定性（400-700 nm）；
2、通过具有近红外吸收有机异质结PBDB-TF:BTP-4Cl与可见光层复合实现在近红外区域响应（700-1000 nm）；
3、聚光器（LC）是一种通过控制光的传输过程实现对光汇聚的器件。因此在紫外区域，将具有紫外吸收可见发射的CsPbCl3：Cr3+，Ce3+，Mn2+ PQDs作为聚光器的荧光材料（Cr/Ce/Mn-LC），应用于器件外层，实现高性能的紫外响应 （200-400 nm）。最终，制备得到的探测器实现了200-1000 nm探测，同时其整个器件探测性能实现1×1012 Jones以上，比Si探测器提高两个数量级。
1. 首先将Er3+掺杂CsPbI3 PQDs中，通过对材料的光电性能和第一性原理计算，可以得出Er3+掺杂提高了CsPbI3 PQDs 发光量子效率（≈93%）和辐射跃迁速率，减少自身的晶格缺陷，实现了高效的电子传输。同时CsPbI3 PQDs稳定性得到了提高，在室温下保存30天其仍能保持原始发光90%以上，在紫外光辐照和热稳定性方面也得到了很大提高。
2. 将BHJ 与PQDs复合，实现了从可见光到近红外光的吸收（400-1000 nm）；同时复合之后发光强度降低，证明了两者之间实现了有效的电荷传递。
3. 制备CsPbCl3：Cr3+，Ce3+，Mn2+ PQDs紫外可见光转换材料，其中Cr3+可以减少CsPbCl3 PQDs自身的缺陷，提高缺陷形成能；Ce3+作为中间能级，便于CsPbCl3 PQDs向Mn2+更好的电荷传递，同时其具有4f-5d的深紫外吸收，可以使其整体吸收拓宽至200 nm左右；Mn2+作为可见光发射离子，实现≈620 nm红光发射，进而被可见光层吸收。将其制备在聚光器中，提高了可见光的有效利用，获得到高效的紫外响应 （200-400 nm）。
4. 将三者结合实现了200-1000nm的高效探测器，在260 nm，450 nm和860 nm其探测响应分别达1.14×1012 Jones， 2.46×1012 Jones，和 1.85×1012 Jones。同时，器件具有高的稳定性和可重复性。
图1 （a）宽带探测器结构示意图。（b）近红外有机异质结分子结构图。（c）Cr/Ce/Mn-LC，BHJ和CsPbI3:Er3+ PQDs吸收光谱，以及Cr/Ce/Mn-LC发射光谱。
图2 （a）宽带探测器电荷传递机理示意图。（b） ITO / ETL / CsPbI3 / Ag (S1), ITO / ETL / CsPbI3:Er3+ (7.7%) PQDs / Ag (S2), ITO / ETL / CsPbI3:Er3+ (7.7%) PQDs / BHJ / Ag (S3) 和 Cr/Ce/Mn-LC / ITO / ETL / CsPbI3:Er3+ (7.7%) PQDs / BHJ / Ag (S4) 探测器在260 nm, 460 nm, 和 860 nm光电流。（c）S1-S4探测器和Si探测器的探测性能。（d）S1-S4探测器外量子效率。（e-f）S1-S4探测器长时稳定性和紫外光照稳定性。
论文信息
Ding, N., Wu, Y., Xu, W. et al. A novel approach for designing efficient broadband photodetectors expanding from deep ultraviolet to near infrared. Light Sci Appl 11, 91 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41377-022-00777-w
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