基于钙钛矿单晶片表面周期性结构的高性能近红外光探测器

doi:10.7503/cjcu20240347

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (12): 20240347.doi: 10.7503/cjcu20240347

基于钙钛矿单晶片表面周期性结构的高性能近红外光探测器

张振宇(), 汪国平()

深圳大学电子与信息工程学院，人工微结构光电材料与器件实验室，深圳 518060

收稿日期:2024-07-10 出版日期:2024-12-10 发布日期:2024-09-23
通讯作者: 张振宇,汪国平 E-mail:zhangzhenyu@szu.edu.cn;gpwang@szu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62005183);国家重点研发计划项目(2022YFA1404500)

High-performance Near-infrared Photodetector Based on Surface Periodic Structure of the Perovskite Single-crystal Sheet

ZHANG Zhenyu(), WANG Guoping()

Laboratory of Artificial Microstructure Optoelectronic Materials and Devices，College of Electronics and Information Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China

Received:2024-07-10 Online:2024-12-10 Published:2024-09-23
Contact: ZHANG Zhenyu, WANG Guoping E-mail:zhangzhenyu@szu.edu.cn;gpwang@szu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(62005183);the Key Project of the National Key Research and Development Program of China(No.2022YFA1404500)

摘要/Abstract

摘要：

借助空间限域法制备了毫米级的甲基碘化铅铵(MAPbI₃)单晶片，并利用聚焦离子束刻蚀(FIB)技术在其表面加工周期性结构，使其共振吸收峰调节至近红外波段，基于此有源层构筑了纵向结构的光探测器. 相比于MAPbI₃单晶片基器件，该器件对双光子近红外光(1064 nm)的探测能力有近2个数量级的显著提高，响应度达0.6 A/W，开关比可达1.7×10⁴（动态线性区约84.6 dB），外量子效率为58.2%，比探测率约为6.3×10¹² Jones(1 Jones=1 cm·Hz^1/2·W^-1). 研究结果证实了利用FIB 技术加工 MAPbI₃ 单晶片表面周期性结构的高度可行性，这将促进钙钛矿单晶片基高性能近红外光探测器的设计和制备.

关键词: 钙钛矿单晶片, 近红外光探测器, 聚焦离子束刻蚀, 共振吸收

Abstract:

In this paper， millimeter-sized CH₃NH₃PbI₃（MAPbI₃） single-crystal sheets（SCSs） were synthesized using the spatial confinement method， and the periodic structures were fabricated on the SCS surface by focused ion beam（FIB） etching technology， enabling the resonance absorption peak to be located in the near-infrared band. Based on this active layer， a longitudinal-structured photodetector（PD） was constructed. The detection capability of such device in the two-photon near-infrared light（1064 nm） was significantly enhanced by two orders of magnitude compared to the device based on pristine MAPbI₃ SCSs. Specifically， the PD responsivity can reach 0.6 A/W， the on-off ratio can reach 1.7×10⁴（the dynamic linear region is approximately 84.6 dB）， the external quantum efficiency can reach 58.2%， and the specific detectivity is about 6.3×10¹² Jones（1 Jones=1 cm·Hz^1/2·W^-1）. The result demonstrates the high feasibility of FIB etching for processing the periodic structure on the surface of MAPbI₃ SCSs， which will greatly contribute to the design and fabrication of high-performance near-infrared photodetectors based on perovskite single-crystal sheet.

Key words: Perovskite single-crystal sheet, Near-infrared photodetector, Focused ion beam etching, Resonance absorption

中图分类号:

O649.4

TrendMD:

张振宇, 汪国平. 基于钙钛矿单晶片表面周期性结构的高性能近红外光探测器. 高等学校化学学报, 2024, 45(12): 20240347.

ZHANG Zhenyu, WANG Guoping. High-performance Near-infrared Photodetector Based on Surface Periodic Structure of the Perovskite Single-crystal Sheet. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(12): 20240347.

图/表 5

Fig.1 SEM image of a whole MAPbI3 single⁃crystal sheet(A), the cross⁃sectional AFM height curve of the sample and two⁃dimensional pattern(inset) near the edge(B), the absorption spectrum of the whole sheet and its Tauc plot(inset)(C)

Fig.2 SEM image(A), three⁃dimensional AFM image(B) and the cross⁃sectional AFM height curve(C) of the surface periodic structure, the near⁃infrared reflection spectra of pristine SCS and the surface periodic structure after the evaporation of 50 nm⁃thick Au layer(D)

Fig.3 I⁃V curves of the photodetector based on the MAPbI3 single⁃crystal sheet at 520(A) and 1064 nm(B) continuous light irradiation with the device curve under dark conditions(olive curve) as a reference, I⁃t curves of the photodetector at 520(C) and 1064 nm(D) rectangular pulsed light irradiation with different powers（C， D） The period of the pulse is 10 s， and the duty cycle is 50%.

Fig.4 I⁃V curves of the photodetector based on the surface periodic structure of MAPbI3 single⁃crystal sheet at 520(A) and 1064 nm(B) continuous light irradiation with the device curve under dark conditions(olive curve) as a reference, I⁃t curves of the photodetector at 520(C) and 1064 nm(D) rectangular pulsed light irradiation with different powers（C， D） The period of the pulse is 10 s， and the duty cycle is 50%.

Fig.5 Schematic diagram of the cross⁃sectional drawing of the periodic structure of the MAPbI3 single⁃crystal sheet, as well as the resonant cavity for two⁃photon near⁃infrared light(A), magnified SEM image for the side facade of the surface periodic structure, with emphasis on marking the nanoparticles(B), comparative XRD patterns of MAPbI3 single⁃crystal sheet before and after undergoing FIB process, with emphasis on marking the slight and complex crystal facets of nanoparticles(C), the comparative fluorescence lifetime curves(D), absorption(E) and fluorescence(F) spectra between pristine and FIB⁃processed MAPbI3 single⁃crystal sheet

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基于钙钛矿单晶片表面周期性结构的高性能近红外光探测器

High-performance Near-infrared Photodetector Based on Surface Periodic Structure of the Perovskite Single-crystal Sheet

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