中南大學開發電調制雙模光電探測器，同時探測可見光和近紅外光

傳統光電探測器存在一個明顯局限：當不同能量的光子激發電子后，這些電子都會迅速回落到導帶底部，丟失原本入射光的波段信息。因此，傳統探測器只能輸出灰度圖像。而在多光譜成像、智能機器視覺以及復雜環境監測等前沿場景，人們往往需要更聰明的“多面手”：一種能根據需求動態切換“偵測模式”的新型探測器。這正是雙模式光電探測器一顯身手的地方。所謂雙模式，指的是同一個器件可以在兩種不同的光譜響應模式之間切換。要實現這樣的“視覺切換”，常見的策略是構建具有多層結構的光電探測器。然而，若選用無機半導體材料，實現高質量的多層堆疊通常離不開工藝復雜、成本高昂的外延生長技術。這一限制不僅束縛了探測器功能的多樣化，也對其制造工藝提出了挑戰。因此，如何借助溶液法制備出高性能、結構多樣的雙模式探測器，成為一個非常值得探索的方向。

據麥姆斯咨詢報道，近日，中南大學袁永波團隊利用鈣鈦礦與有機體異質結激子解離效率的差異，開發出可通過工作電壓動態調節光譜響應范圍的雙模式光電探測器。針對外加偏壓導致器件暗電流與噪聲上升的問題，這項研究提出一種界面修飾降噪策略，將器件暗電流降低2到3個數量級，探測器最低可檢測光強降低至7.0 pW cm?2，實測比探測率大于1011 Jones，線性動態范圍大于190 dB。相關研究成果以“Low-Noise Electrically Modulated Dual-Mode Photodetectors with Perovskite/Organic Dual Absorption Layers”為題發表在ACS Nano期刊上。

電壓調制雙模式光電探測器的機制

這項研究通過將鈣鈦礦（FA?.?Cs?.?PbI?.??Br?.??）與有機體異質結（PM6:BTP-eC9）垂直堆疊形成雙吸收層結構，得到了通過電壓調制的雙模式光電探測器。這一設計充分利用了兩種“性格”迥異的光電材料：鈣鈦礦作為一種非激子型半導體，天生“活潑”，在室溫下就能輕松將光生“電子-空穴對”解離成自由電荷；而有機層則相對“內向”，其光生“電子-空穴對”形成了束縛緊密的（界面電荷轉移）激子，需要在外加電場的協助下，才能拆分成自由電荷，進而形成光電流。利用這一差異，本研究開發的探測器僅需改變工作電壓（例如在-0.4 V反向偏壓與+0.3 V正向偏壓之間切換），就能像切換開關那樣輕松指揮器件切換探測模式——反向時，它能同時捕捉可見光與近紅外光；正向時，則只對可見光“敏感”。

圖1 電壓調制雙模式光電探測器的機制

利用雙重界面處理提高雙模式光電探測器的探測性能

盡管將鈣鈦礦活性層與有機活性層直接堆疊在一起可以簡便地實現雙模式光探測，但確保器件的探測靈敏度不受電壓切換的影響同樣非常重要。這需要通過設計，使器件在整個工作電壓范圍內，尤其是正向偏壓下保持極低的暗電流和高探測率。本研究證明雙界面修飾策略可顯著降低器件噪聲：一方面，研究采用PEAI鈍化鈣鈦礦薄膜表面，通過降低界面缺陷抑制了缺陷誘導的復合電流；另一方面，研究在有機層與頂部金屬電極之間插入一層MoO?，抬高了電荷反向注入的門檻。通過二者協同作用，將器件的暗電流降低2到3個數量級。

圖2 利用PEAI和MoO?雙界面處理降低雙模式光電探測器暗電流

圖3 雙界面處理前后光電探測器的噪聲及品質因子對比

通過雙界面處理，該探測器在兩種模式下均展現出優異的綜合性能：超過1011 Jones的比探測率、大于190 dB的線性動態范圍、低至7.0 pW cm?2的極弱光探測能力，以及出色的工作穩定性（1000次循環后性能保持95%以上）。

該雙模式光電探測器的設計思路具有普適性

利用這一設計思路，中南大學研究團隊通過組合不同組分的鈣鈦礦材料與有機給受體（包括FA?.?Cs?.?PbI?Br?、FA?.?Cs?.?PbI?Br?、PM6:BTP-eC9和PBDB-T：ITIC）成功制備出多種響應特征的雙模式探測器（圖4）。在經過相同的雙界面優化后，所有器件實現了性能的大幅提升。

圖4 組合不同組分的鈣鈦礦材料與有機給受體得到多種雙模式探測器

雙模式光電探測器用于加密光通信

研究表明，雙模式光電探測器可用于構建加密光通信系統。在圖5的“光學加密”展示中，由620 nm和845 nm光分別輸入 “PVK”和“BHJ”字符圖像。對這些輸入的光信號，雙模式探測器在-0.4 V和0.3 V下分別進行響應，并得到光電流值。0.3 V下的光電流圖譜顯示了“PVK”圖像，而通過-0.4 V和0.3 V響應之間的差分分析可提取“BHJ”圖像，從而實現了加密光通信。

圖5 雙模式光電探測器的加密光通信

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15681