摘要

柔性短波紅外探測器在可穿戴設(shè)備、生物成像、自動控制等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而商用短波紅外探測器由于制備溫度高、材料性能剛性等問題，難以實(shí)現(xiàn)柔性化。華中科技大學(xué)的唐江教授和陳超教授團(tuán)隊(duì)在 Nano Letters 期刊發(fā)表最新研究成果，開發(fā)了一種高性能柔性 Te0.7Se0.3 光電探測器，該探測器受益于碲-硒合金的一維晶體結(jié)構(gòu)和小彈性模量。該柔性光電探測器在室溫下表現(xiàn)出 365 至 1650 nm 的寬光譜響應(yīng)、6 μs 的快速響應(yīng)時間、76 dB 的寬線性動態(tài)范圍和 4.8 × 1010 Jones 的比探測率。在 3 mm 小曲率半徑彎曲后，柔性探測器的響應(yīng)度仍保持其初始值的 93%。基于優(yōu)化的柔性探測器，研究人員展示了其在短波紅外成像中的應(yīng)用，突出了 Te0.7Se0.3 光電探測器在柔性電子領(lǐng)域的巨大潛力。

本研究推薦使用設(shè)備
LQ-100X-PL 光致發(fā)光與發(fā)光量子產(chǎn)率測試系統(tǒng)
PD-QE_新型光電傳感器特性分析儀

研究背景與核心概念

短波紅外 (SWIR) 光是指波長在 1-3 微米范圍內(nèi)的電磁波，它具有許多的特性，例如穿透能力強(qiáng)、對生物組織散射低、對人眼安全等，因此在夜視、生物成像、食品安全檢測、環(huán)境監(jiān)測、光通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，柔性短波紅外探測器也逐漸成為研究熱點(diǎn)，它能夠適應(yīng)各種曲面和形狀，為可穿戴設(shè)備、植入式醫(yī)療器械、柔性顯示屏等新興應(yīng)用提供更加便捷和高效的解決方案。

目前柔性短波紅外探測器的研究主要集中在以下幾個方向：

1.      二維材料基柔性短波紅外探測器: 石墨烯、黑磷、過渡金屬硫化物等二維材料因其優(yōu)異的光電性能和機(jī)械柔韌性，成為制備柔性短波紅外探測器的理想材料。然而，二維材料的制備成本較高，且器件性能受制于材料的本征缺陷和接觸電阻等問題。

2.      有機(jī)半導(dǎo)體基柔性短波紅外探測器: 有機(jī)半導(dǎo)體材料具有可溶液加工、成本低廉、可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，但其載流子遷移率和光吸收能力通常較低，限制了器件的性能。

3.      量子點(diǎn)基柔性短波紅外探測器: 膠體量子點(diǎn) (CQD) 具有可調(diào)的帶隙、高吸收系數(shù)和溶液可加工性等優(yōu)勢，近年來在柔性短波紅外探測領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。然而，CQD 探測器通常需要復(fù)雜的配體交換和鈍化處理，以提高器件的性能和穩(wěn)定性。

4.      傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的柔性化: 一些研究嘗試將傳統(tǒng)的短波紅外探測器材料，例如 InGaAs、HgCdTe 等，轉(zhuǎn)移到柔性基底上，以實(shí)現(xiàn)器件的柔性化。然而，這些方法通常需要復(fù)雜的工藝步驟，且難以保證器件的可靠性和穩(wěn)定性。

現(xiàn)有的研究已經(jīng)取得了一些突破，例如：

l  高性能二維材料探測器: 研究人員通過優(yōu)化材料制備工藝和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備出了基于二維材料的高性能柔性短波紅外探測器，其性能已接近甚至超過了傳統(tǒng)剛性探測器。

l  高靈敏度有機(jī)探測器: 通過分子設(shè)計(jì)和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究人員成功制備出了高靈敏度的有機(jī)短波紅外探測器，并展示了其在生物成像等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

l  大面積 CQD 探測器陣列: 研究人員利用印刷技術(shù)制備了大面積 CQD 探測器陣列，并將其集成到柔性基底上，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的短波紅外成像。

研究方法與主要發(fā)現(xiàn)

該研究團(tuán)隊(duì)選擇碲 (Te) 和硒 (Se) 合金作為探測器材料，因?yàn)?/span> Te-Se 合金具有一維晶體結(jié)構(gòu)和較小的彈性模量，使其在彎曲時不易斷裂。他們采用熱蒸發(fā)法制備了 Te0.7Se0.3 薄膜，并通過改變退火溫度優(yōu)化薄膜的結(jié)晶性和載流子濃度。

為了表征 Te0.7Se0.3 薄膜的性能，研究人員使用了掃描電子顯微鏡 (SEM)、X 射線衍射 (XRD)、霍爾效應(yīng)測量系統(tǒng)等多種手段。隨后，他們制備了基于 Te0.7Se0.3 薄膜的柔性光電探測器，并對其光譜響應(yīng)、響應(yīng)時間、線性動態(tài)范圍、比探測率和彎曲穩(wěn)定性等性能進(jìn)行了測試。

研究結(jié)果與討論

研究結(jié)果表明，退火溫度對 Te0.7Se0.3 薄膜的結(jié)晶性和載流子濃度有顯著影響。通過優(yōu)化退火溫度，可以獲得具有最佳性能的 Te0.7Se0.3 薄膜。

制備的柔性 Te0.7Se0.3 光電探測器表現(xiàn)出以下優(yōu)異性能：

寬光譜響應(yīng): 響應(yīng)范圍從 365 nm 擴(kuò)展到 1650 nm，覆蓋了紫外、可見光和短波紅外波段。

快速響應(yīng)時間: 響應(yīng)時間僅為 6 μs，可以滿足快速成像的需求。

寬線性動態(tài)范圍: 線性動態(tài)范圍達(dá)到 76 dB，可以探測不同強(qiáng)度的光信號。

高比探測率: 室溫下比探測率達(dá)到 4.8 × 1010 Jones，具有高靈敏度。

優(yōu)異的彎曲穩(wěn)定性: 在 3 mm 小曲率半徑彎曲后，探測器的響應(yīng)度仍保持其初始值的 93%，證明了其良好的柔韌性。

研究人員進(jìn)一步展示了 Te0.7Se0.3 柔性光電探測器在短波紅外成像中的應(yīng)用。他們將探測器集成到一個柔性電路板上，并成功地捕捉到了紅外圖像，證明了其在柔性電子領(lǐng)域的巨大潛力。

結(jié)論與展望

該研究開發(fā)的 Te0.7Se0.3 柔性光電探測器具有寬光譜響應(yīng)、快速響應(yīng)時間、寬線性動態(tài)范圍、高比探測率和優(yōu)異的彎曲穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴設(shè)備、生物成像、自動控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
現(xiàn)有的柔性短波紅外探測器仍面臨著一些挑戰(zhàn)，例如：

l  性能與穩(wěn)定性之間的平衡: 提高器件性能的同時，如何保證其在彎曲、拉伸等機(jī)械變形下的長期穩(wěn)定性，仍然是一個需要解決的難題。

l  制備工藝的復(fù)雜性和成本: 現(xiàn)有的柔性短波紅外探測器制備工藝相對復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

l  材料和器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新: 需要開發(fā)新的材料和器件結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高柔性短波紅外探測器的性能和應(yīng)用范圍。

未來，可以通過以下幾個方面進(jìn)一步提升 Te0.7Se0.3 柔性光電探測器的性能：

l  優(yōu)化薄膜制備工藝： 探索新的薄膜制備方法，例如化學(xué)氣相沉積法，以提高薄膜的結(jié)晶性和均勻性。

l  鈍化界面缺陷： 采用界面鈍化技術(shù)，例如引入鈍化層或表面改性，以減少界面缺陷，提高器件的性能和穩(wěn)定性。

l  開發(fā)集成技術(shù)： 將 Te0.7Se0.3 柔性光電探測器與其他柔性電子器件集成，開發(fā)新型的柔性電子系統(tǒng)。

相信隨著研究的深入，Te0.7Se0.3 柔性光電探測器的性能將會進(jìn)一步提升，并最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，為柔性電子領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

本文參數(shù)圖:

Fig. 6_ (a) 柔性 Te0.7Se0.3 光電二極管的暗電流密度-電壓 (J-V) 曲線和 (b) 1300 納米波長的外部量子效率 (EQE) 隨退火溫度的變化而變化。

Fig.S9_展示了材料在不同條件下的電學(xué)性能和穩(wěn)定性測試結(jié)果。

(a) 部分: 電流密度-電壓曲線，展示了該設(shè)備在空氣中存放不同時間（1天和2個月）后的性能。

(b) 部分: 歸一化響應(yīng)隨時間變化的曲線，顯示了設(shè)備在空氣中存放時性能的穩(wěn)定性。

(c) 部分: 兩張圖片，分別展示了設(shè)備在水中和水外的實(shí)物圖。

(d) 部分: 電流密度-電壓曲線，展示了設(shè)備在水中浸泡不同時間（0小時、8小時、24小時）后的性能。

(e) 部分: 歸一化響應(yīng)隨時間變化的曲線，顯示了設(shè)備在水中浸泡時性能的穩(wěn)定性。

(f) 部分: 一張圖片，顯示了設(shè)備在水滴下的接觸角，這通常用來表征材料的親水性或疏水性。

從這些數(shù)據(jù)可以看出，該設(shè)備或材料在空氣和水中的長期穩(wěn)定性，以及其電學(xué)性能如何隨環(huán)境條件和時間變化，對于評估設(shè)備的實(shí)用性和耐用性至關(guān)重要。

原文出處: Nano Lett. 2024



推薦設(shè)備_

1.      PD-QE_新型光電傳感器特性分析儀

l  偏置電壓也可由 20 V 到 1000 V。同時，可測量高分辨率的光電流，分辨率最高可達(dá) 10-16 A。

l  波長擴(kuò)充可達(dá) 1800 nm。

l  可選配軟件升級控制 Kiethley 4200 SMU。

l  應(yīng)用-
有機(jī)光傳感器 (OPD, Organic Photodiode)、鈣鈦礦光傳感器 (PPD, Perovskite Photodiode)、量子點(diǎn)光傳感器 (QDPD, Quantum Dots Photodiode)、新型材料光傳感器。

2. LQ-100X-PL 光致發(fā)光與發(fā)光量子產(chǎn)率測試系統(tǒng)

具有以下特色優(yōu)勢：

l  以緊湊的設(shè)計(jì)，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配 4 吋外徑 PTFE 材質(zhì)的積分球，并且整合 NIST 追溯的校準(zhǔn)，讓手套箱整合 PL 與 PLQY 成為可能。

l  利用先進(jìn)的儀表控制程序，可以進(jìn)行原位時間 PL 光譜解析，并且可產(chǎn)生 2D 與 3D 圖表，說明用戶可以更快地表征材料在原位時間的變化。

系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)可容易的做紅外擴(kuò)展，波長由1000 nm 至 1700 nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可兼容測試。