采用非对称金/钛肖特基接触结构，实现超低暗电流和高温度稳定性的自供电CsPbBr3光电探测器

《Optical Materials》：Self-powered CsPbBr3 photodetector with ultra-low dark current and high-temperature robustness enabled by asymmetric Au/Ti Schottky contacts

　　

杨帅|王佳琳|鲍汉|刘伟利|李金树|徐娇|梁宏伟|杨一鸣

中国大连市凌工路2号，大连工业大学集成电路学院，邮编116024

摘要

自供电钙钛矿光电探测器作为一种高效低功耗的光电应用平台备受关注。然而，要实现具有宽线性动态范围和高温稳定性的优异自供电光电探测性能仍面临挑战，这是因为缺陷引发的离子迁移以及热激活的载流子注入现象十分严重。在此，我们展示了一种热稳定性强的自供电光电探测器，它采用了高质量化学气相沉积法生长的CsPbBr₃纳米片，并设计了优化的肖特基接触结构。不对称的钛和金接触结构能够形成有效的内建电场，从而实现自供电工作，而合适的肖特基势垒则能有效抑制热激活的暗电流。此外，CsPbBr₃纳米片具有较高的晶体质量，缺陷密度低，这减少了陷阱辅助的载流子传输或离子迁移，进而降低了暗电流，提升了高温下的光电探测稳定性。因此，该器件表现出出色的自供电光电探测性能，暗电流极低（约-0.25 pA），线性动态范围达137 dB，且在450 K的高温下仍能稳定工作。值得注意的是，其响应度在更高温度下还有所提升。这项工作为开发具有高温稳定性的优秀自供电钙钛矿光电探测器提供了有效的物理解决方案。

引言

自供电光电探测器因其卓越的能效优势，在低功耗光电系统、遥感以及自主设备等领域越来越受到重视[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]。在各种光活性材料中，卤化物钙钛矿因其较高的光学吸收系数和较长的载流子扩散长度，成为自供电光电探测器的理想候选材料，这些特性有助于高效地产生和传输光生载流子[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14]。尤其值得一提的是，卤化物钙钛矿具有丰富的成分多样性，可以实现宽且连续可调的带隙，从而使其光电性质能够根据特定应用需求进行定制[15]，[16]，[17]，[18]，[19]。某些无机卤化物钙钛矿，如带隙为2.36 eV的CsPbBr₃，在航空航天和工业监测等需要高温工作的特殊场景中具有应用潜力，但目前相关研究还相对较少[13]，[20]，[21]，[22]。

尽管具有这些优点，但钙钛矿本身柔软的晶格结构为离子迁移提供了便利路径[23]，[24]，[25]。特别是在多晶薄膜或溶液处理的微纳晶体中普遍存在的晶格缺陷，会显著促进离子迁移，而在高温条件下这一现象会更加严重[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]。因此，可以预见在高温工作时，软晶格中的相分离会导致器件性能下降甚至失效。此外，缺陷引发的陷阱辅助热发射也会大幅增加暗电流[32]，[33]，[34]，[35]，进而恶化包括响应度和线性动态范围在内的关键自供电光电探测指标。

因此，将高质量的钙钛矿单晶与精心设计的器件结构相结合，对于实现具有低暗电流和更高操作稳定性的高温自供电光电探测器至关重要。

在本研究中，我们展示了一种热稳定性强的自供电光电探测器，它采用了不对称的金和钛肖特基接触结构，以及通过化学气相沉积法生长的高质量CsPbBr₃纳米片。由于不对称金属接触结构产生的内建电场，该器件展现了出色的自供电性能，线性动态范围高达137 dB。缺陷密度低的单晶纳米片则有效减少了离子迁移和缺陷辅助的载流子传输。同时，肖特基势垒也能有效抑制热激活的载流子注入，共同作用使得暗电流极低。因此，该器件即使在450 K的高温下也能保持稳定的光电探测性能。值得注意的是，其响应度在更高温度下还有所提升。这些结果表明，同时控制晶体质量和载流子注入机制，是实现可靠的高温自供电钙钛矿光电探测器的有效途径。

章节节选

材料制备

所有化学品均从Aladdin公司购买。单晶CsPbBr₃纳米片是通过自制的化学气相沉积系统合成的。将摩尔比为1:1的化学计量比的CsBr和PbBr₂粉末置于石英管中心，而FTO衬底则放置在12厘米远的位置。将系统内的压力抽至7 mTorr后，以40 sccm的流量通入高纯度氩气，然后将压力调整到大气压。随后将炉子加热到520 °C并保持该温度

自供电CsPbBr₃光电探测器的设计

图1a示意性地展示了用于制备高质量且热稳定性好的CsPbBr₃纳米片的化学气相沉积工艺。由于氟掺杂氧化锡表面为多晶结构，能够为CsPbBr₃提供大量的成核点，且有利于形成垂直的纳米片结构，因此选用了氟掺杂氧化锡作为生长衬底[36]。之后，将化学气相沉积法生长的CsPbBr₃纳米片转移到预先制作好金电极的SiO₂/Si衬底上，接着进行电子束光刻处理

结论

总之，我们成功研制出了一种具有高温稳定性的自供电金/CsPbBr₃/钛光电探测器。不对称电极结构产生的内建电场使得该器件能够在零偏压下稳定工作，而金属-半导体界面处的注入限制型肖特基势垒，再加上化学气相沉积法生长的CsPbBr₃纳米片的高结晶度，共同有效地抑制了高温条件下的暗电流。因此，

作者贡献说明

鲍汉：指导工作，软件使用。 王佳琳：项目管理，数据整理。 杨帅：方法设计，实验研究，定量分析，数据整理，概念构建。 杨一鸣：文章撰写与修改，初稿撰写，资金筹集。 梁宏伟：资金筹集。 徐娇：文章撰写与修改，初稿撰写。 李金树：指导工作，软件使用。 刘伟利：软件使用，方法设计

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国教育部“基础学科拔尖计划”（项目编号：JYB2025XDXM107）的资助。杨勇还获得了辽宁省“科技计划”的资助（项目编号：2024-MSBA-23）。此外，该研究还得到了中央高校“基础研究基金”的支持。作者们还要感谢大连工业大学仪器分析中心的帮助。