【研究背景】
數字成像是清華許多民用和軍事應用的重要技術，如消費電子、香港人工智能、用于自動駕駛車輛和國家安全防御。清華從單元素和單色成像演變而來的香港下一代成像，是用于指以高分辨率、靈活性和多光譜傳感能力為特征的清華圖像傳感。在這些特點中，香港具有可見光到近紅外檢測功能的用于雙波段可調諧光電探測器（PDs）在彩色成像、機器視覺、清華智能監控和具有光譜選擇能力的香港傳感器中越來越受到重視。雖然以硅和III-V族半導體為代表的用于無機半導體材料在目前商業化的光電探測器領域占主導地位，當面臨窄帶檢測和多色成像等新需求時，清華硅基探測器需要集成濾波器、香港額外的用于光學接口和復雜的結構設計，從而降低了其成像陣列的分辨率，因此它們的單一光譜響應難以滿足多色成像、可穿戴設備和其他領域的苛刻應用。開發出在多波段范圍內具有易于切換的特性和高的特定檢測率的新型器件結構，仍然是探測技術的關鍵挑戰。
【研究概述】
有鑒于此，清華大學深圳國際研究生院的韋國丹課題組及其合作者香港城市大學葉軒立課題組基于鈣鈦礦半導體材料和有機半導體材料，設計了一種ITO/電子傳輸層/鈣鈦礦可見光吸收層/有機近紅外光吸收層/電子傳輸層/Ag結構的雙波段可切換的光電探測器，實現了在不同偏壓下可切換的可見/近紅外雙波段探測，并有望用于多色成像和光通信等領域。N-I-I-N的器件結構允許在低調制電壓下進行雙向載流子傳輸，分別表現出可見響應和近紅外響應。在可見光和近紅外波段分別實現了 93.5 和 102.2 mA/W 的峰值響應度。該器件還在近紅外范圍內表現出約 1011Jones峰值檢測率、快速的微秒響應時間以及在可見光和近紅外模式下具有低偏置電壓的寬動態范圍 (>120 dB)。這種不需要光學透鏡實現波長選擇性的器件設計也有利于雙可見光和近紅外光成像的 PD 陣列制備。相關研究成果以“Low-voltage-modulated perovskite/organic dual-band photodetectors for visible and near-infrared imaging”為題發表在Science Bulletin2022年第19期。
Yu Gao, Cong Zhao, Kai Pu, Miao He, Wanqing Cai, Man-Chung Tang, Feiyu Kang, Hin-Lap Yip, Guodan Wei. Low-voltage-modulated perovskite/organic dual-band photodetectors for visible and near-infrared imaging. Science Bulletin, 2022, 67(19): 1982-1990
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927322004145
【圖文概覽】
圖1 雙波段探測器的基本器件結構和薄膜特性。(a) 器件結構示意圖（左）、PBDBT-DTBT 和 BTP-4F 的結構式（右上）、鈣鈦礦的晶體結構和組成（右下）。(b)鈣鈦礦薄膜和有機 BHJ 的歸一化吸收曲線。(c)探測器的橫截面SEM 圖像（Ag除外）。(d) 探測器的模擬光場分布圖。(e) 0 V偏置電壓下的薄膜能級示意圖。
圖2器件的雙模響應特性。(a) 在 680 和 900 nm 波長光下的器件的電流-電壓（I-V）曲線。 (b) 對于 680 和 900 nm 光源，在 0.5 和 -1 V的偏置電壓下測量的 PD 的時間-光電流響應。 (c) 探測器在偏置電壓為 -1.5、-1.2、0.3 和 0.7 V時對不同波長光的響應度。(d-e) 探測器在偏置為 0.7 和-1.5 V時的探測度。(f)不同偏置電壓條件下探測器的噪聲電流。
圖3探測器在波長為685 nm（a）和905 nm（b）時的響應時間（上升和衰減）（相應的偏置電壓分別為0.7和-1.5 V）。（c）可見光和近紅外光下探測器在0.7和-1.5 V時的頻率響應曲線和（d）動態響應范圍。
圖4 器件物理?(a) 雙波段探測器的響應度和光譜的對應圖。(b, c) 正向（可見光模式）和反向（近紅外模式）偏壓的器件的電荷載體傳輸過程示意圖。
圖5 雙色成像陣列(a) 圖像陣列的工作過程示意圖。(b) PD在可見光模式下的成像結果（P、D 掩模板形狀）。(c) 近紅外模式下PD的成像結果（T、H、U掩模板形狀）。
【作者介紹】
韋國丹在密歇根大學獲得博士學位。2018年，她加入了清華大學深圳研究院。她目前的研究興趣集中在先進的光電器件的開發，如太陽能電池，光電探測器和有機發光二極管（OLED）。
葉軒立教授：現為香港城市大學材料科學與工程學系及能源與環境學院教授，香港清潔能源研究院副院長。2013?2020任職華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室教授。主要從事有機和鈣鈦礦光電子材料及器件的研發，新應用領域的開拓，以及商業化的轉化等。在Nature, Science, Nature Photonics, Chem. Rev., Joule, Adv. Mater., Nat. Commun. 等國際期刊上發表論文260余篇，被引約33000次，H-指數為96，并連續于2014至2021年度入選ESI全球“高被引科學家”。擔任Matter雜志國際顧問，Science Bulletin 及 Nanomaterials期刊的編委會會員。
高雨是清華大學深圳研究院的博士生。他的研究興趣是光電材料和器件，包括過氧化物太陽能電池、有機太陽能電池和光電探測器。
趙聰目前是清華大學深圳國際研究生院材料研究院韋國丹教授指導的助理研究員。他的研究興趣集中在鈣鈦礦/有機光電子學和鈣鈦礦/有機半導體中的電荷載體動力學。
