微纳电子系任天令教授团队在钙钛矿光电探测领域取得重要进展

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清华新闻网2月15日电 近日，微纳电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）上发表了一篇题为“硅晶圆集成的单晶钙钛矿超快光电探测器”（Ultrafast Photodetector by Integrating Perovskite Directly on Silicon Wafer）的研究论文。该工作实现了单晶钙钛矿在半导体硅晶圆上的直接集成，并在此基础上研制出了超快的光电探测器。此项工作对构建基于钙钛矿的新一代高速集成光电子器件具有重大意义。

有机-无机杂化钙钛矿作为一种新型的半导体光电材料，具有较长的载流子扩散长度、较高的载流子迁移率以及优异的光电转化效率，在光电探测、能源器件等领域具有广阔的应用前景。然而受限于钙钛矿固有的光学带隙和材料结构，使得钙钛矿在硅基集成、宽光谱检测以及高速探测方面仍面临着很大的挑战。

硅晶圆集成的单晶钙钛矿承重测试以及钙钛矿和硅界面处的TEM照片
在该论文研究中，团队充分结合了单晶硅和钙钛矿材料各自的优势，采用优化的反溶剂方法实现在硅晶圆衬底上单晶CH3NH3PbBr3钙钛矿的直接生长，显著改善了两种材料异质结之间的界面特性。使用该钙钛矿/硅晶圆异质结研制出的光电探测器不仅将传统钙钛矿器件的可探测波长范围（<800 nm）拓宽到近红外区域（1064 nm），而且该探测器具有较好的成像功能。相比于目前商用的锗基光电探测器，该探测器展现了更快的响应时间（520 ns）。本工作有望进一步实现单晶钙钛矿在多晶硅薄膜晶体管（TFT）背板上的直接生长集成，以制备更加稳定高效的光电探测器，从而推动集成钙钛矿基光电子技术的发展。

硅基集成的单晶钙钛矿光电探测器示意图以及优异的光电特性
近年来，该团队在新型微纳电子器件的基础研究和实用化应用的探索方面实现了一系列重大突破和多项创新成果。例如：钙钛矿光突触器件、集成钙钛矿的高速光电探测器件以及钙钛矿X射线探测器件、柔性石墨烯收发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器、仿生石墨烯压力传感器以及极低功耗石墨烯钙钛矿阻变存储器等。相关成果多次发表于《自然通讯》（Nature Communications)、《先进材料》(Advanced Materials)、《纳米快报》(Nano Letters)、《美国化学学会纳米》(ACS Nano)、微电子领域的顶级期刊《电子器件快报》(IEEE Electron Device Letters）和会议国际电子器件大会(IEDM)等。

清华大学微电子所博士生耿祥顺、硕士生王方伟等为文章共同第一作者，清华大学微纳电子系任天令教授等为论文共同通讯作者，该研究成果得到了国家自然基金重点项目和科技部项目的支持。

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06345

供稿：微纳电子系

编辑：曲田
审核：戚天雷
2020年02月15日 19:13:40　　清华新闻网