近年來，蓬勃發(fā)展的光電產業(yè)改變了世界，并延伸到生活諸多方面。其中，具有深紫外-可見-近紅外全光譜探測響應光電探測器（PD）作為重要的光電元件，在日常生活中發(fā)揮著關鍵作用。通常，商業(yè)化的全光譜光電探測器主要基于傳統(tǒng)的半導體材料，例如：可見-近紅外選擇硅（Si）基光電探測器、可見-短波紅外采用銦鎵砷（InGaAs）基光電探測器。然而，上述光電探測器需要復雜的蒸鍍制備工藝，且器件運行暗電流及噪聲信號相對較大，使得探測性能有待進一步提高。與此同時，由于傳統(tǒng)半導體材料具有較高的光反射系數和較淺的紫外光穿透深度，因此制備得到的光電探測器難以實現對紫外光高靈敏度探測。目前，最為成熟的實現深紫外-可見-紅外全光譜光電探測器制備方法主要基于紫外光電探測器與可見-紅外光電探測器兩者高度集成，然而受限于系統(tǒng)體積、成本及不同類型光電探測器響應能力的差異等問題，阻礙了商業(yè)化的進一步應用。因此，探索和開發(fā)深紫外-可見-紅外高探測靈敏度全光譜光電探測器成為當前領域的研究熱點之一。
通過構建異質結策略，利用不同波長響應材料協同作用，拓寬探測范圍，抑制器件暗電流，提高探測靈敏度的研究已被廣泛報道。但是，上述研究主要以拓寬光電探測器紅外響應為目的，對于構筑異質結后兩者界面處相互作用、電荷輸運關系、器件機械性能及穩(wěn)定性、異質結層厚度對器件性能的影響等方面缺乏理論及系統(tǒng)的深入探究。此外，利用熒光轉換材料吸收深紫外-紫外光后，發(fā)射出與光電探測器響應波長一致的可見或紅外光子，進而增強器件紫外探測性能的策略備受關注。
近日，大連民族大學徐文教授和董斌教授團隊通過構建CsPbI?鈣鈦礦量子點（PQD）與PbS量子點異質結，高效CsPbCI?:Cr3?，Ce3?，Yb3?，Er3?鈣鈦礦量子點（紫外光轉換近紅外光）量子剪裁聚光器（如圖1），實現深紫外到近紅外II區(qū)的全光譜（200-1700 nm）高響應靈敏度，優(yōu)異穩(wěn)定性的寬帶光電探測器。相關研究成果以“Highly DUV to NIR-II responsive broadband quantum dots heterojunction photodetectors by integrating quantum cutting luminescent concentrators”為題發(fā)表在國際期刊Light: Science & Applications上。
圖1 深紫外到近紅外II區(qū)的寬帶光電探測器
為了在光電探測器中獲得高性能和寬帶響應，研究人員進行了一系列光學和電氣實驗。首先，為了提高鈣鈦礦量子點的性能，選擇鑭系元素離子 （Ho3?） 作為摻雜劑，摻入通過改進的熱注射法制備的CsPbI?鈣鈦礦量子點，相關測試結果如圖2所示。接著，研究人員通過與PbS量子點結合對 CsPbI?：Ho3?鈣鈦礦量子點異質結進行了光學和電學分析，相關結果如圖3所示。隨后，研究人員通過密度泛函理論（DFT）計算了CsPbI?：Ho3?鈣鈦礦量子點和PbS量子點之間的結構和光物理相互作用，相關結果如圖4所示。
圖2 Ho3?摻雜的CsPbI?鈣鈦礦量子點
圖3 CsPbI?：Ho3?-PbS量子點異質結的光電特性
圖4 CsPbI?：Ho3?- PbS量子點異質結的DFT計算
最后，研究人員對該深紫外-可見-近紅外II區(qū)全光譜寬帶響應光電探測器的性能進行檢測，并基于其出色的探測性能，進一步探索了該寬帶光電探測器的成像應用，相關結果如圖5所示。
圖5 光電探測器的性能及應用
綜上所述，為了實現高效、穩(wěn)定的深紫外-可見-近紅外II區(qū)全光譜寬帶響應光電探測器，這項研究主要通過以下三方面進行研究：1、通過稀土鈥離子（Ho3?）摻雜CsPbI?鈣鈦礦量子點來提高可見光區(qū)域響應性能和器件穩(wěn)定性（400-700 nm）；2、通過具有近紅外吸收PbS量子點與可見光層復合實現可見-近紅外II區(qū)波長響應（400-1700 nm）；3、通過稀土離子（Ce3?，Yb3?，Er3?）摻雜CsPbCI?:Cr3?鈣鈦礦量子點，實現高效的近紅外（900-1700 nm）量子剪裁發(fā)射，其熒光量子效率為179%。進一步將其構建為熒光聚光器（LC）應用于器件外層，實現高性能的紫外波長響應 （200-400 nm）。最終，制備得到光電探測器實現了200-1700 nm全光譜響應，同時其整體器件探測性能超過1012 Jones，且具有較好的運行穩(wěn)定性。
