钙钛矿阵列化组装及其多功能探测器的应用

doi:10.7503/cjcu20220448

摘要/Abstract

摘要：

钙钛矿材料优异的光电性能使其在高集成、高性能、多功能光电探测领域具有广泛的应用前景. 近年来, 科研人员致力于钙钛矿阵列化探测器的研究, 并取得了一系列重要的成果. 本文重点评述了钙钛矿材料的阵列化及其多功能探测器的制备和应用, 介绍了钙钛矿材料的结构分类、阵列化集成方法及光电探测器的基本器件类型和性能指标, 并进一步阐述了基于钙钛矿一维阵列的高性能光电探测器及其多功能探测器的相关应用研究进展. 最后, 对该研究领域未来的发展方向进行了总结和展望.

关键词: 钙钛矿, 阵列化, 小型化, 多功能探测器

Abstract:

Perovskite materials have a wide application prospect in the field of photoelectric detection due to their excellent photoelectric performance. The integrated development of perovskite photodetectors requires integration processing technology， which will exploit the application of perovskite in multifunctional detector applications. In recent years， many researchers have devoted themselves to this aspect of research and achieved a series of important achievements. This review summarizes perovskite materials arrays and preparation of multifunctional detectors， and introduces the structure of the perovskite materials classification， integration method， the photodetector array basic device type， and performance indicators. Finally， we discuss the perovskite one-dimensional array of the high- performance photodetector and its related application research progress of multifunctional detector. Meanwhile， we present insight toward the promising future directions in this research filed.

Key words: Perovskite, Array, Miniaturization, Multifunctional detector

中图分类号:

O614

TrendMD:

袁萌, 赵英杰, 吴雨辰, 江雷. 钙钛矿阵列化组装及其多功能探测器的应用. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220448.

YUAN Meng, ZHAO Yingjie, WU Yuchen, JIANG Lei. Assembly of Perovskite Arrays and Multifunctional Detector Applications. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220448.

图/表 6

Fig.2 Integration method of perovskite array（A） Preparation schematic of the CsPbBr3 microwire arrays with the assist of antisolvent；（B） scanning electron microscopy（SEM） image and （C） high-resolution transmission electron microscopy（HRTEM） image of CsPbBr3 microwire showing the ［010］ zone axis［44］；（D） schematic illustration of the fabrication procedures for CsPbBr3 QDs devices by inkjet printing；（E） photography of CsPbBr3 QDs based X-ray detector arrays on a 4 in. wafer；（F） height profile of the printed CsPbBr3 QDs film；（G） high-resolution TEM image and selected-area electron diffraction（SAED） pattern of CsPbBr3 QDs［46］；（H） schematic illustration of the solution-based growth method of patterned MAPbI3－x Cl x film on a surface-functionalized polyethylene terephthalate（PET） substrate；（I） SEM image of patterned MAPbI3－x Cl x film and magnified SEM images showing the compact surface；（J） photography of large-scale MAPbI3－x Cl x film array on PET substrate［49］；（K） schematic illustration of the 2D-perovskite nanowire arrays fabrication process by capillary-bridge method；（L） SEM image of 2D perovskite nanowire arrays；（M） grazing incidence wide-angle X-ray scattering（GIWAXS） pattern of 2D perovskite nanowires［53］.（A）—（C） Copyright 2019， John Wiley and Sons；（D）—（G） Copyright 2019， John Wiley and Sons；（H）—（J） Copyright 2019， John Wiley and Sons；（K）—（M） Copyright 2020， John Wiley and Sons.

Fig.3 Architectures schematic of perovskite?based photodetectors

Fig.4 High?performance photodetectors（A） Typical logarithmic I?V curves of α-CsPbI3 nanowire arrays under the dark current and different irradiances， inset is the schematic illustration of device；（B） photocurrent and photoresponsivity vs. different irradiances at a fixed wavelength［66］；（C） photographs of the FAPbI3 nanowire arrays with different PEA+ contents（2%， 10%， 18%， molar fraction）［70］；（D） schematic illustration of a photodetector；（E） illumination power dependent photocurrents and responsivities of 1D single-crystal MAPbBr3 arrays；（F） Fluorescence micrographs of 1D MAPbBr3－x Cl x and MAPbI3－y Br y （x， y=0， 1， 1.5， 2， 3） single-crystal arrays［72］；（G） schematic of the MAPbI3 nanowire array photodetector；（H） irradiance-dependent photocurrent at a bias voltage of 5 V［73］；（I） device structure of the aligned MAPbI3 microwire array-based photodetector；（J） photocurrent vs. light intensity of the device under 550 nm light illumination［74］；（K） scheme of carrier dynamics in the photodetector of single-crystalline （101）-oriented 2D perovskite；（L） frequency-dependent noise current at a voltage bias of 5 V；（M） statistics of detectivities of n=2—5 nanowires under modulation frequencies of 10 and 30 Hz［87］；（N） schematic illustration of design and fabrication of single-crystalline nanowire photodetectors with pure （101） orientation and sulfur-sulfur（S-S） interaction；（O） frequency-modulated photocurrents of n=3 perovskite nanowire arrays under 530 nm LED light irradiation；（P） irradiation-dependent responsivity of n=1—3 layered-perovskite single-crystalline nanowire arrays［88］. （A， B） Copyright 2019， John Wiley and Sons；（C） Copyright 2020， John Wiley and Sons；（D—F） Copyright 2018， John Wiley and Sons；（G， H） Copyright 2017， American Chemical Society；（I， J） Copyright 2016， John Wiley and Sons；（K—M） Copyright 2018， Springer Nature；（N—P） Copyright 2022， American Chemical Society.

Fig.5 Multifunctional photodetectors（A） Schematic illustration of polarization-sensitive photodetection on 1D CsPbBr3 perovskite arrays；（B） polarization dependence of photocurrent［93］；（C） angle-dependent photocurrents of the （R?α-PEA）2PbI4 perovskite nanowire device at different polarization angles under a fixed 505 nm LED illumination with a power of 119.5 mW/cm2；（D） schematic illustration of multifunctional photodetectors， integrating linearly polarized and circularly polarized light detection and achieving a high-efficiency Stokes-parameter photodetector；（E） wavelength-dependent responsivities of chiral-perovskite nanowire devices under different CPL illuminations with the power of 1.47×10-4 mW/cm2 at 10 Hz；（F） images results of the five-pointed star for the （R?α-PEA）2PbI4 perovskite nanowire device under RCP illumination［94］；（G） crystal structures of （R- and S-C5H14N）PbI3［95］；（H） schematic structures of chiral double perovskite crystals；（I） statistics of detectivities and responsivities of （R/S/rac-β-MPA）4AgBiI8 microwire devices under unpolarized-520 nm illumination with the power of 2.3×10-3 mW/cm2［100］；（J） Poincare?-sphere representation for the polarization states of light with various Stokes parameters；（K） experimental measurement and theoretical derivation value under differently polarized lights［94］.（A， B） Copyright 2017， John Wiley and Sons；（C—F， J， K） Copyright 2021， American Chemical Society；（G） Copyright 2022， Elsevier；（H， I） Copyright 2021， John Wiley and Sons.

Table 1 Optoelectronic performances of 1D nanowire perovskites-based photodetectors

Year	Material	R/（A·W^?1）	10^?12D^*/Jones	Polarizatin ratio， g_res	LDR/dB	t_r/ms	t_d/ms	Feature	Ref.
2019	CsPbI₃	1294	260	—	—	0.85	0.78	Stable， highly sensitive	［63］
2020	FAPbI₃	5282	145	—	—	0.0293	0.0311	Air?stable， ultrasensitive	［64］
2018	MAPbBr_3-_x Cl _x MAPbI_3-_y Br _y	3160	—	—	—	—	—	Bandgap engineering	［72］
2017	MAPbI_3-_x Br _x	12500	0.173	—	150	—	—	High?， ultrahigh?responsivity	［73］
2016	MAPbI₃	13.57	5.25	—	114	—	—	Flexible	［74］
2018	（BA）₂（MA）₃Pb₄I₁₃	15000	7000	—	—	0.0276	0.0245	Ultrasensitive	［87］
2020	（ThMA）₂（MA）₂Pb₃I₁₀	11000	9100	—	157	0.0362	0.0315	Ultrasensitive	［53］
2022	（MTEA）₂（MA）₂Pb₃I₁₀	7300	3900	—	141	0.04	0.0522	Strongly Interacted	［88］
2020	Cs₂AgBiBr₆	1625	—	—	—	0.04	0.28	Non?toxic	［89］
2017	CsPbBr₃	1377	—	2.6	—	0.0215	0.0234	Polarization?sensitive	［93］
2021	（R?α?PEA）₂PbI₄	47.1	12.4	1.6/0.15	—	0.267	0.258	Stokes	［94］
2021	（R?C₅H₁₄N） PbI₃	0.026	0.22	0.23	—	19.0	19.2	Circularly polarized	［95］
2021	（R?β?MPA）₄AgBiI₈	0.052	0.39	0.19	—	11.5	15.6	Lead?free	［96］
2021	（R?MBA）₂PbI₄	0.136	0.039	1.46	—	267	270	Full?Stokes polarimeter	［106］

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