一直以来，具有高光谱选择性的紫外光电探测器在荧光检测、成像、紫外线光疗和生物医学传感等方面有着重要的应用。然而，目前基于传统方法制备的窄带光电探测器存在成本高、结构复杂和难以集成等问题。金属卤化物钙钛矿材料具有较大的光吸收系数，较高且平衡的载流子传输能力，这使得其成为高性能光电探测器的重要候选材料之一。尽管已有很多文献报道了基于钙钛矿材料的窄带探测器，但均工作在可见和近红外光波段，而针对紫外光的窄带光探测研究尚未见报道。而且，目前针对钙钛矿光电探测器的研究大多是基于传统的铅卤化物钙钛矿，而铅毒性以及材料本身的稳定性问题是阻碍该型器件走向商业化应用的重要瓶颈。
基于上述考虑，郑州大学材料物理教育部重点实验室的史志锋副教授（点击查看介绍）等人从材料定向合成出发，采用低温溶液法成功制备出高质量的无铅Cs3Cu2I5薄膜。进一步，通过构建Cs3Cu2I5/GaN异质结，并利用电荷收集窄化的思路成功获得了具有高光谱选择性的紫外光探测，器件的响应窗口为300−370 nm。在零偏压下，器件的响应度高达280 mA/W，比探测率为1.4×1012 Jones，开关比为1.2×105，响应速度为95/130微秒，具备响应超快光信号的能力。更重要的是，不同于传统的铅卤化物钙钛矿，Cs3Cu2I5材料具有优异的抗紫外线、环境水/氧和热稳定性，因此未封装的器件可以在空气环境中连续高温（373 K）工作。并且，在空气环境下放置1个月后，器件的光探测能力依然可以保持，展现出作为稳定高效光探测材料的独特优势。此外，通过将该器件作为感光单元，成功实现了其紫外成像应用。上述研究成果为环境友好型钙钛矿紫外窄带探测器研究提供了新的方案。
图1. 器件的结构示意图及工作原理：（1）通过设计Cs3Cu2I5/GaN异质结实现器件在零偏压下的光响应；（2）通过调控Cs3Cu2I5膜层的厚度实现电荷收集窄化，达到控制光生载流子在异质结中扩散深度的目的。
这一成果近期发表在国际权威期刊Materials Horizons 上。文章的第一作者是郑州大学的博士生李营，通讯作者为郑州大学的史志锋副教授和李新建教授，以及复旦大学的方晓生教授。该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及河南省高校科技创新人才计划等项目的支持。
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Highly stable and spectrum-selective ultraviolet photodetectors based on lead-free copper-based perovskites
Ying Li, Zhifeng Shi, Wenqing Liang, Lintao Wang, Sen Li, Fei Zhang, Zhuangzhuang Ma, Yue Wang, Yongzhi Tian, Di Wu, Xinjian Li, Yuantao Zhang, Chongxin Shan, Xiaosheng Fang
Mater. Hori., 2020, DOI: 10.1039/C9MH01371G
史志锋博士简介
史志锋，男，1987年生，郑州大学物理学院副教授，博士研究生导师。研究方向为新型钙钛矿基光电器件，包括发光二极管、光电探测器和激光器等。目前，以第一/通讯作者身份在Nano Letters、ACS Nano、Advanced Functional Materials、ACS Energy Letters及Materials Horizons 等国际权威期刊已发表SCI学术论文43篇，包括中科院一区论文22篇，“高被引论文”2篇，并有7篇SCI文章被选为期刊封面，合著英文专著2部（章节），申请发明专利12项（授权6项）。获河南省自然科学奖一等奖（排名第4）、第八届徐叙瑢发光学优秀青年学术论文奖、第十三届河南省青年科技奖以及河南省“中原千人计划”等荣誉。
https://www.x-mol.com/university/faculty/49572
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