杨维清:全喷涂、大面积、低成本制备纸基柔性光电探测器阵列

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光电探测器作为一种光信号与电信号转换的器件在光通讯、环境监测、生物检测等应用方面具有巨大潜力而得到科学研究与工业领域广泛的关注。当今广泛使用的紫外-近红外探测的光电探测器所用活性材料被单晶硅或Ⅲ-Ⅴ族化合所垄断。然而，该光电探测器都是基于刚性基底，这严重地限制了其在柔性光电子器件中的应用，如：可穿戴电子设备、可弯曲图像感、可植入式光电器件等。相比刚性光电探测器，柔性光电探测器从根本上适用于集成化应用的可弯曲、拉伸的要求。近几年，全无机钙钛矿（CsPbX3）具有大的吸收系数（2×105 cm-1）、高载流子迁移率（~1000 cm2 V-1）、长的电子-空穴扩散长度以及带隙可调等独特的光电特性，有望在光电子器件中得到广泛应用。特别是与传统的晶体硅相比，全无机钙钛矿可以通过更经济的溶液加工技术进行处理，这充分说明其在低成本、大面积、柔性的光电探测器方面具有巨大的潜力。然而，由于钙钛矿前驱体溶解度低、蒸发速度快，一步法加工的钙钛矿薄膜退火后易出现致密性差、厚度无法控制等问题，严重地降低了光电探测器性能。另一方面，目前光电探测器所使用的电极基本是依靠高真空、复杂的设备所制得，如何利用低成本的加工方式制备也是未来研究重点。将高光电性能、高机械柔性、低成本的要求同时集成在一个器件中，这对现有的活性材料、电极、基片和制造技术都是一个巨大的挑战。因此，为了获得该柔性光电探测器它必须具备以下几个条件：（1）具有足够薄的活性材料，在弯曲时能有效地释放应力防止光电性能降低；（2）在最佳电极材料与活性材料之间，具有完美匹配的能级，以有效地传输光生电子-空穴；（3）低成本、大面积、易加工的制造技术取代昂贵而复杂的高真空工艺技术。

近期，西南交通大学材料学院杨维清教授团队制备了高质量的CsPbBr3纳米片为活性材料并以二维层状Ti3C2Tx（MXene）为电极材料，采用全喷涂加工的方法制备出了高性能的纸基柔性光电探测器。得益于高结晶度的CsPbBr3纳米片、MXene电极的优异导电性，以及他们之间完美匹配的能级，所制备的器件性能表现出可媲美基于金属电极的钙钛矿光电探测器。器件接触界面存在的肖特基势垒，能有效地降低器件的暗电流，提高器件的探测率。所制备的器件的开关比高达2.3×103，以及快速的光响应18 ms，响应度可达44.9 mA W-1，探测率为6.4×108 Jones。值得一提的是将器件弯曲至60°仍能保持72%的性能，在160°下循环弯曲1500次后，依然可实现85%的光电流保持率，展现出优异的柔韧性。在大气环境中存放三个月后，器件的光电流仅下降了20%，说明器件具有突出的稳定性。此外，作者通过在MXene薄膜电极上集成阵列的该光电探测器（24 个 cm-2）制备出1665像素传感器。该传感器成功地实现了图像传感的功能。因此，这种全喷涂加工的制备方法将为大规模制造高性能、大面积、柔性的可穿戴光电器件和光通讯光电探测器阵列开辟一条道路。

相关工作发表在Advanced Optical Materials（DOI: 10.1002/adom.201801521）上，文章第一作者为西南交通大学材料学院硕士生邓稳和黄海超。