上海大学王生浩、重庆文理学院程江/李璐团队AFM：一种用于近红外和弱光成像的二维钙钛矿光电探测器

1前言回顾

二维钙钛矿材料因其独特的层状结构和优异的环境稳定性，在光电探测器领域展现出巨大潜力。然而，目前Pb基二维钙钛矿带隙通常大于1.6 eV，限制了其在近红外波段（NIR）的应用，难以实现弱光成像等高灵敏度探测任务。此外，二维钙钛矿中低n值相（如n=2、3）的非均匀分布，易引起载流子复合问题，进一步影响器件性能和稳定性。为解决上述难题，研究者近年来尝试通过合金化、表面钝化或结构调控等手段优化材料性能，但仍面临器件噪声电流高、响应速度慢和弱光监测能力弱等问题。因此，如何提升二维钙钛矿对近红外波段的吸收能力、改善相分布及缺陷分布，已成为推进其在NIR弱光探测领域实际应用的关键。

2研究简介

鉴于此，上海大学材料基因组工程研究院王生浩教授团队联合重庆文理学院程江教授、李璐教授，基于(PEA)₂FA₄Pb₅I₁₆二维钙钛矿材料，提出了一种基于热调控的晶体生长策略。通过在成膜过程中对衬底进行预热，可有效促进高n相的优先生长、抑制低n相的生成，从而获得结晶性更好、缺陷更少且垂直取向优异的厚钙钛矿薄膜。该策略显著提升了材料的载流子寿命、降低了缺陷密度，并增强了NIR吸收能力。基于该结构制备的光电探测器在NIR波段展现出优越性能，在800 nm光照下具有高响应度、高探测率与低噪声电流，表现出优异的弱光成像能力与环境稳定性。即使在低光照强度下，仍能清晰成像，在当前二维钙钛矿探测器研究中具备优越的综合性能表现。

3图文解析

图1 （a）control、50°C、70°C 及100°C样品的XRD图谱；（b） 对应的钙钛矿薄膜截面SEM图像；（c） 热调控法诱导(PEA)₂FA₄Pb₅I₁₆钙钛矿薄膜结晶过程的示意图。

图2 control与100°C样品在不同激发位置下的PL光谱：（a）从钙钛矿薄膜顶部激发；（b）从背面激发，插图为500-670nm波段的局部放大光谱；（c）n=∞相（700-900nm）对应的PL发光强度mapping图；（d）control与100°C样品的瞬态吸收（TA）信号强度分布图；（e）不同延迟时间下的波长依赖型TA光谱，选取典型的延迟时间以展示不同n值对应相的最大光漂白特征及载流子占据态所需时间；（f） control与100°C样品中n=∞相的TA动力学过程。

图3control与100°C器件的光电性能对比：（a）EQE；（b）基于EQE计算的响应度光谱；（c）器件的比探测率光谱；（d） 在不同光照条件下的I-V特性曲线；（e）在800nm光照下，不同光强下的I-t曲线；（f）器件的响应时间；（g） 器件的开关比；（h）control与（i） 100°C器件在无封装条件下循环开关光照下的I–t曲线。图a中的插图为钙钛矿光电探测器结构示意图；图c中的插图为control与100°C器件的噪声电流测量结果。

图4 （a）control（i）与100°C （ii） 薄膜的TRPL mapping图，绿色区域表示载流子寿命较长；（b）器件的频率依赖电容与相对介电常数曲线；（c）仅电子器件（ITO/SnO₂/钙钛矿/PCBM/BCP/Ag）的SCLC曲线；（d） control与100°C光电探测器的典型Nyquist图；（e）ITO衬底上沉积的二维钙钛矿薄膜的紫外光电子能谱；（f） control（i）与100°C样品（ii）在ITO衬底上的开尔文探针显微镜图像；（g） 基于紫外光电子能谱结果绘制的能带结构示意图。

图5 （a）成像传感器系统的示意图；（b）基于100°C的器件在813μW/cm²近红外光照条件下获得的成像结果；（c）在0.1μW/cm²光照下的成像结果，显示其弱光成像能力；（d）不同光强条件下的实验现场照片，上图为光斑照射区域，下图为光功率计实测读数；（e）在两种典型光强（813 和 0.1μW/cm²）下器件输出光电流信号的时间响应波形；（f） 成像器件在不同光强下的成像光电流强度对比图，本工作与近年来代表性成像型钙钛矿光电探测器的比较。

4研究总结

本工作揭示了热调控在调节二维卤化物钙钛矿材料相结构与载流子动力学方面的作用机制，为优化薄膜质量、提升器件性能提供了有效策略。该方法为构建高性能近红外光电探测器提供了新思路，为后续开发高稳定性、多功能钙钛矿材料提供了重要理论支撑。相关研究成果以题为“A 2D Perovskite Photodetector for NIR Range and Weak‐Light Imaging Applications via Thermal Regulation”最新发表于国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。

5基金支持与致谢：

本工作得到了江苏科技大学张成喜副教授、北京高压科学研究中心董洪亮研究员的鼎力支持。该工作获得了国家自然科学基金（12474072、52102182、52374307）、上海市教育委员会科技创新计划（2023ZKZD48）以及先进耐火材料全国重点实验室的支持。并得到重庆市自然科学基金（CSTB2023TIAD-KPX0022、CSTB2023NSCQ-LZX0058）、重庆市教委科学技术研究计划项目（KJQN202301315）支持。在此表示感谢。

6文献信息

论文信息：L. Wu,Q. Cao, H. Li, X. Liu, W. Li, T. Wu, X. Zou, J. Cheng*, L. Li*, C. Zhang, N. Elizaveta, A. B. Tarasov, H. Dong, S. B. Donaev, K. Akimoto, S. Wang*, A 2D Perovskite Photodetector for NIR Range and Weak-Light Imaging Applications via Thermal Regulation. Adv. Funct. Mater. 2025, 2505180.

论文DOI:10.1002/adfm.202505180

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