基于Cs?Cu?I?/WO?异质结的正偏压宽带高性能光电探测器

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Broadband, high performance photodetector based on Cs 3Cu 2I 5/WO 3 heterojunction at forward bias

宽光谱响应Cs3Cu2I5/WO3异质结光电探测器通过两步法（热氧化制备WO3与溶液旋涂Cs3Cu2I5）成功研制，在5V正向偏压下265nm紫外光照射时实现峰值响应度4.93A/W和检测度6.80×10^12 Jones，光谱响应覆盖265-1330nm，较单材料吸收边扩展显著，归因于异质结处类型II带对齐，同时具备快速响应（41.6ms/66.3ms）和低操作电压优势，为环保型光电子器件提供新方案。

　　近年来，随着光电子技术的迅速发展，对高性能、广谱响应的光探测器的需求日益增长。特别是在环境友好型和可持续性方面，传统含铅钙钛矿材料因其潜在的环境毒性而受到限制，促使研究者转向开发无铅钙钛矿材料。其中，基于铜的无铅钙钛矿因其独特的光电性能，成为光电子应用领域的重要研究方向。例如，铜基钙钛矿材料被广泛应用于发光二极管（LEDs）、忆阻器和光探测器等器件中。然而，实现宽波段响应并具有高灵敏度的光探测器仍然面临挑战。本文提出了一种基于Cs?Cu?I?/WO?异质结的高性能光探测器，通过简单的两步工艺制备，展现了卓越的光探测性能。

光探测器是将光信号转换为电信号的关键器件，广泛应用于工业、军事、科学研究以及日常生活中的多个领域，如化学传感、环境监测、监控、光学成像、相机和智能手机等。特别是在需要覆盖从紫外（UV）到红外（IR）整个光谱范围的应用中，宽带光探测器显得尤为重要。这类探测器在成像、光谱分析和光学通信等场景中发挥着重要作用。例如，可见光至近红外光谱范围的光探测器被广泛用于遥感、光学通信系统和视频录制；而紫外-可见光探测器则可用于天文学探测、生物医学成像系统和存储技术。然而，传统的有机-无机混合钙钛矿材料和含铅钙钛矿材料虽然具有优异的光电性能，但其长期稳定性较差，且可能对环境造成污染。因此，开发具有更优环境兼容性和更高稳定性的无铅钙钛矿材料成为当前研究的热点。

铜基无铅钙钛矿材料因其独特的物理化学特性而备受关注。这类材料不仅具备良好的光学响应能力，还展现出优异的机械柔性和可加工性，这使其在柔性电子设备和大面积光电子器件中具有广阔的应用前景。其中，Cs?Cu?I?作为一种典型的无铅钙钛矿材料，具有较宽的带隙（约3.8 eV），能够实现对深紫外（DUV）波段光的有效响应。同时，Cs?Cu?I?还表现出优异的空气稳定性，这在实际应用中具有重要意义。此外，Cs?Cu?I?在可见光和近红外波段也展现出一定的光电响应能力，这为开发宽谱响应的光探测器提供了可能性。

为了进一步提升光探测器的性能，研究人员开始探索将Cs?Cu?I?与其他具有优异光电特性的材料相结合，形成异质结结构。WO?作为一种具有高电子迁移率和良好稳定性的宽禁带半导体材料，被认为是一个理想的异质结搭档。通过构建Cs?Cu?I?/WO?异质结，可以利用两种材料之间的能带结构差异，实现更宽的光谱响应范围和更高的光探测效率。本文中，研究团队采用了一种简单的两步工艺：首先通过热氧化工艺制备高质量的WO?薄膜，然后通过溶液旋涂法沉积Cs?Cu?I?活性层。这种方法不仅操作简便，还具有良好的可扩展性，适合大规模生产和实际应用。

实验结果表明，所制备的Cs?Cu?I?/WO?异质结光探测器在正向偏压下表现出优异的性能。在265 nm深紫外光照射下，该器件实现了高达4.93 A/W的峰值响应率和6.80 × 1012 Jones的特定探测率，显著优于反向偏压下的性能。这种优异的性能主要归因于异质结界面处的类型II能带排列结构。类型II能带排列意味着两种材料的导带和价带在界面处存在一定的错位，从而形成了有效的载流子分离机制，提高了光探测效率。此外，该器件还展现出宽广的光谱响应范围，覆盖从265 nm到1330 nm的波段，远超单一材料的吸收极限。这种宽谱响应能力使得Cs?Cu?I?/WO?异质结光探测器在多光谱成像、环境监测和光学通信等领域具有重要的应用价值。

除了高响应率和宽谱响应外，该光探测器还具备低工作电压和良好的稳定性。这些特性对于实际应用来说至关重要，因为低工作电压可以降低能耗，提高设备的便携性和适用性；而良好的稳定性则可以确保器件在长时间运行中保持性能不变，适用于各种环境条件下的光探测任务。此外，该器件在正向偏压下的性能优化，使其在实际应用中更加高效和可靠。

为了验证器件的性能，研究团队进行了系统的测试和分析。首先，通过实验手段评估了器件在不同波长范围内的光响应能力，发现其在265 nm到1330 nm的波段内均能有效响应，表现出良好的宽谱探测特性。其次，研究团队测量了器件的响应时间，发现其上升时间约为41.6 ms，下降时间约为66.3 ms，表明该光探测器具有较快的响应速度，能够满足高速光信号处理的需求。此外，通过对比不同偏压条件下的性能，研究团队进一步确认了该器件在正向偏压下的优越性，这为实际应用提供了重要的理论依据。

值得注意的是，本文中提到的Cs?Cu?I?/WO?异质结光探测器不仅在性能上表现出色，其制备工艺也具有一定的优势。通过热氧化和溶液旋涂相结合的方法，研究团队成功实现了高质量异质结的构建，避免了复杂的工艺步骤和高昂的制造成本。这种方法不仅适用于实验室研究，也为未来的大规模生产和实际应用提供了可行的路径。此外，该工艺对环境的影响较小，符合当前绿色制造和可持续发展的趋势。

从应用角度来看，Cs?Cu?I?/WO?异质结光探测器在多个领域具有广阔的发展前景。首先，在紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）成像方面，该器件的宽谱响应能力使其能够捕捉不同波段的光信号，为多光谱成像技术提供了新的解决方案。其次，在环境监测领域，该器件能够对不同波长的光进行响应，适用于检测空气中的污染物、水质变化等环境因素。此外，在光学通信技术中，宽谱响应的光探测器可以用于接收和处理多种波长的光信号，提高通信系统的灵活性和效率。因此，该器件不仅在科学研究中具有重要意义，其在实际应用中的潜力也值得进一步探索。

为了进一步推动该技术的发展，研究团队还探讨了其在不同应用场景中的适应性。例如，在需要高灵敏度和宽光谱响应的多光谱传感系统中，该异质结结构可以提供稳定的性能支持。此外，在柔性电子设备中，由于其良好的机械柔性和低工作电压特性，该器件可以应用于可穿戴设备、智能传感器等新兴领域。这些应用的拓展不仅有助于提高光探测器的实用性，还可能带来新的市场机遇和技术突破。

综上所述，本文中提出的Cs?Cu?I?/WO?异质结光探测器，通过简单的两步工艺实现了优异的光电性能。其在深紫外光下的高响应率、宽谱响应能力以及良好的稳定性，使其成为下一代光电子应用的重要候选材料。该器件不仅在科学研究中具有重要的意义，其在实际应用中的潜力也值得进一步关注和研究。未来，随着制备工艺的优化和应用领域的拓展，此类异质结光探测器有望在更多高科技领域中发挥重要作用。