等离子体介导的窄带钙钛矿光电探测器中波长选择性响应增强

《ACS Nano》：Plasmon-Mediated Wavelength-Selective Response Enhancement in Narrowband Perovskite Photodetectors

本研究通过设计金属纳米粒子（AgNPs/AuNPs/AuNRs）的组成、尺寸及形态，精准调控其局域表面等离子共振（LSPR）波段，与目标窄带响应范围完美匹配。利用近场增强效应（NFEE）显著提升钙钛矿器件（MAPbX3, X=Cl,Br,I）的光吸收，实现5V偏压下最高452.7 A·W?1@830 nm的响应度及3.13×101? Jones的检测度，较未修饰器件分别提升2.52倍和显著增强。

　　

电荷收集窄化（CCN）技术使得钙钛矿器件能够在无需滤波器的情况下实现窄带光检测，但需要较厚的活性层来抑制短波长光子，这限制了光电流的输出。通过策略性地设计金属纳米颗粒（MNPs）的组成、尺寸和形状，可以精确调控其局域表面等离子体共振（LSPR）带，使其与目标窄带响应范围完全匹配。这样，入射的长波长光子与MNPs周围的电磁场发生强烈的耦合作用，从而通过近场增强诱导的激发（NFEE）效应显著提高光吸收，进而大幅提升光电流。基于分别涂覆了银纳米颗粒（AgNPs）、金纳米颗粒（AuNPs）和金纳米棒（AuNRs）的图案化ITO玻璃基底，成功制备了含有MAPbX₃（X = Cl、Br、I）微晶薄膜的侧向型光电导CCN光电探测器（PDs）。在5 V偏压下，MAPbCl₃–AgNPs、MAPbBr₃–AuNPs和MAPbI₃–AuNRs CCN PDs的峰值响应度分别达到171.1 A W^–1@410 nm、269.1 A W^–1@550 nm和452.7 A W^–1@830 nm，其半高宽（FWHM）仅分布在20–30 nm的波长范围内。此外，MNPs在暗态下可作为电子捕获介质，降低暗电流，从而提高光电探测器的选择性（D*）。最终，MAPbCl₃–AgNPs、MAPbBr₃–AuNPs和MAPbI₃–AuNRs CCN PDs的D*分别达到了1.26 × 10¹⁴ Jones、1.84 × 10¹⁴ Jones和3.13 × 10¹⁴ Jones，相比未装饰MNPs的原始器件，光电流增强了2.36倍、2.10倍和2.52倍。这些初步结果为开发高性能、波长选择性的窄带钙钛矿光电探测器提供了重要启示。