等离激元增强的柔性锡基钙钛矿光电探测器

等离激元增强的柔性锡基钙钛矿光电探测器

无机钙钛矿量子点的优异光电特性使其在构建光电探测器件等方面极具应用前景。尽管铅基钙钛矿光电探测器已经取得了很大的进展，然而铅的毒性严重限制了此类材料的实际应用，因此研究人员试图寻找能够替代铅的无毒元素，比如锡、铋、锗等。其中，锡基钙钛矿被证明具有较高的电导率和载流子迁移率，是最有望替代铅基钙钛矿的候选之一。但是，锡基钙钛矿的本征吸收系数较低，与铅基钙钛矿相比其光电转换效率还有很大差距，因而提高锡基钙钛矿光电探测器的性能仍是一个巨大挑战。纳米光子学技术能通过在纳米尺度进行精确的光场调控，有效的改变光与物质间的相互作用，比如增强物质对光的吸收，是提高光电探测器性能的有效方法之一。当金属纳米结构的尺寸小于或接近入射光的波长时，由电子集体共振产生的局域表面等离激元能够增强其近场范围内钙钛矿材料的吸收，但过于靠近金属纳米结构（<10 nm）会使钙钛矿中光生载流子的能量转移到金属，产生表面能量猝灭效应，从而降低光电探测器的光电流。对于钙钛矿材料与金属纳米结构之间距离的优化，是实现有效的吸收增强所必须考虑的。

图1. 等离激元增强的柔性锡基钙钛矿光电探测器

近日，香港城市大学雷党愿副教授研究组在Nano Letters上发表了等离激元增强锡基钙钛矿光电探测器性能的研究。如图1所示，该器件由钙钛矿量子点薄膜-氧化铝介电层-银纳米球薄膜三层结构组成。银纳米球薄膜与入射光作用后产生的等离激元近场增强可以有效提高顶层钙钛矿对入射光的吸收；通过调节氧化铝薄膜的厚度来精确平衡等离激元增强效果和表面能量猝灭。同时，密堆积的自组装银纳米球薄膜能够抵消器件弯折时的应力，从而提高器件的稳定性和实用性。

图2. 银纳米球薄膜产生的近场增强和表面能量淬灭的理论计算结果

如图2所示，基于COMSOL有限元方法的全波电磁模拟计算表明银纳米球所产生的近场强度增强随氧化铝厚度减小而迅速增强，然而基于Persson model的理论计算表明表面能量猝灭也会随之增加。同时考虑两种效应的计算结果显示，当氧化铝的厚度在5纳米左右时，光声载流子的总体效率增强系数达到最大值~7.6。

图3. 锡基钙钛矿光电探测器性能测试结果

基于以上的理论分析结果，研究人员设计了一系列具有不同氧化铝厚度的柔性等离激元钙钛矿光电探测器件。测量结果显示，当氧化铝的厚度为5 nm 时，光电流增强因子为6.5（对应吸收增强倍数为7.5），与理论预测结果匹配良好。此外，该光电探测器具有宽谱响应能力，对波长在300-630 nm 的入射光均具有很高的响应度。最后，密堆积的自组装银纳米球和钙钛矿量子点薄膜能够有效抵消器件弯折时的应力，使得器件在弯折一百次后，光电流几乎没有下降，具有很好的柔韧性。本文设计的等离激元柔性膜结构对提升无铅钙钛矿光电探测器的性能并拓展其柔性应用场景提供了一个简单有效的途径。

相关论文发表在Nano Letters上，香港城市大学博士研究生马雪为文章的第一作者，雷党愿副教授为通讯作者。