【研究背景】

由單一器件構(gòu)成的近紅外-太赫茲（NIR-THz）寬譜光電探測(cè)器在成像，遙感，通信和光譜學(xué)等諸多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。特別是隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，空間網(wǎng)絡(luò)通信和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域迫切需要具有自驅(qū)動(dòng)、快速響應(yīng)和室溫運(yùn)轉(zhuǎn)性能的太赫茲探測(cè)器。然而，現(xiàn)有的商用探測(cè)器（如bolometer, Golay cells, Schottky diodes等）很難滿足要求。近年來(lái)，隨著新型半導(dǎo)體材料的發(fā)展，基于塞貝克效應(yīng)的光熱電（PTE）探測(cè)器，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自供電、低功耗和室溫操作等優(yōu)點(diǎn)，在寬帶檢測(cè)中顯示出了潛在的應(yīng)用前景，成為NIR-THz波段檢測(cè)的優(yōu)秀候選者。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于提高PTE器件整體響應(yīng)的塞貝克系數(shù)最有效的策略是用兩種不同的材料構(gòu)建異質(zhì)結(jié)。近年來(lái)，有科研小組證明鈣鈦礦材料不僅具有優(yōu)異的光電特性，還是一種極具潛力的熱電材料，具有較大的賽貝克系數(shù)和較低的熱導(dǎo)。同時(shí)，PEDOT:PSS熱電器件因其高熱電性能（其最高的賽貝克系數(shù)可達(dá)436 μV/K，電導(dǎo)可達(dá)104 S/m）、簡(jiǎn)單和柔性的制備工藝等特性而受到越來(lái)越多的關(guān)注。因此，將這兩種高熱電性能的材料有機(jī)的結(jié)合在一起能夠制備出具有高性能的熱電探測(cè)器并有效地應(yīng)用于NIR-THz波段檢測(cè)。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，天津大學(xué)姚建銓院士、張雅婷副教授、李依凡博士課題組提出利用 MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料制備了具有快響應(yīng)的自驅(qū)動(dòng)室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的光電器件，實(shí)現(xiàn)了NIR-THz寬光譜探測(cè)。通過(guò) MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了光熱電系統(tǒng)的賽貝克系數(shù)提高了器件的整體響應(yīng)度，同時(shí)利用 MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料特性實(shí)現(xiàn)了快響應(yīng)探測(cè)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)28 μs。該器件的研究為高性能、快速、自驅(qū)動(dòng)、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的近紅外-太赫茲寬譜探測(cè)器的研制提供了新的途徑。相關(guān)研究成果在2020年7月發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C ，論文鏈接為： https://doi.org/10.1039/D0TC02399J 。

圖1  MAPbI3  /PEDOT:PSS材料表征

較低的響應(yīng)度和超慢的響應(yīng)速度是制約自驅(qū)動(dòng)太赫茲光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素，同時(shí)室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的困難也是不容忽視的一個(gè)問(wèn)題。為解決此難點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)器件整體的賽貝克系數(shù)，同時(shí)提升器件的光電性能轉(zhuǎn)化能力。通過(guò)賽貝克系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料制備的器件賽貝克系數(shù)值最高達(dá)到525 μV/K, 比單純的MAPbI3  器件高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，從太赫茲波段的吸收光譜來(lái)看，MAPbI3 /PEDOT:PSS器件吸收率要比單純的MAPbI3器件高。

圖2 MAPbI3  /PEDOT:PSS器件I-V特性曲線特性

電流-電壓（I-V）特性實(shí)驗(yàn)顯示，MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料器件在正負(fù)5 mV范圍內(nèi)展示出典型的賽貝克效應(yīng)I-V特性曲線。由于異質(zhì)結(jié)和器件不同材料能級(jí)差，導(dǎo)致器件在無(wú)光照條件下形成內(nèi)建電場(chǎng)，I-V曲線不過(guò)零點(diǎn)。通過(guò)分析表明內(nèi)建電場(chǎng)方向與賽貝克效應(yīng)所產(chǎn)生的電場(chǎng)方向相反。光電特性曲線顯示，MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料器件在1064 nm和 2.52 THz波長(zhǎng)范圍內(nèi)的多波段激光輻照下展示出穩(wěn)定且可重復(fù)的光開(kāi)關(guān)特性，隨著輻照光波長(zhǎng)的增加，光響應(yīng)度降低。同時(shí)，在零偏壓下表現(xiàn)出快的響應(yīng)速度為28 μs @1064 nm。

圖3 MAPbI3  /PEDOT:PSS器件近紅外-太赫茲光電響應(yīng)

在此基礎(chǔ)上，利用光熱電理論模型以及溫度/光電流變化曲線充分證明了該器件的光熱電效應(yīng)機(jī)制。這項(xiàng)工作表明，MAPbI3  /PEDOT:PSS器件是構(gòu)建快響應(yīng)、自驅(qū)動(dòng)、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的近紅外-太赫茲寬帶探測(cè)器有潛力的候選材料，為未來(lái)自驅(qū)動(dòng)室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的寬帶、高靈敏度新型光電探測(cè)器研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

圖4 MAPbI3  /PEDOT:PSS器件近紅外-太赫茲光熱電理論機(jī)制分析

該工作近期以“A Fast Response, Self-Powered and Room Temperature Near Infrared-Terahertz Photodetector based on MAPbI3  /PEDOT:PSS Composite”為題發(fā)表在期刊Journal of Materials Chemistry C上，文章第一作者為博士研究生李依凡，通訊作者為張雅婷副教授，姚建銓教授。

相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（61675147, 61605141, 61735010, 91838301）國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2017YFA0700202）和深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JCYJ20170412154447469）天津大學(xué)北洋青年教師項(xiàng)目（No. 2019XRG-0056）等項(xiàng)目的資助。