基于低维金属卤化物CsAgBr的紫外光电探测器的性能研究

《Materials Today Chemistry》：Performance of ultraviolet photodetectors based on low dimensional metal halide CsAgBr 2

低维CsAgBr?单晶通过反溶剂结晶法制备，具有优异化学稳定性和宽禁带特性，其在深紫外波段表现出强光吸收，制成的光电探测器响应速度和灵敏度显著提升，为环保型紫外探测材料开发提供新途径。

　　

郭恒|李竹欣|张芳芳|马家军|朱一志|魏贤|刘晓飞

太原工业大学科学系，中国太原，030008

摘要

无铅低维金属卤化物的发现为开发空气稳定且环保的光电器件提供了一种可行的方法。本研究介绍了无铅CsAgBr₂单晶的低温制备过程，并对其结构和稳定性进行了详细表征。同时，还展示了其在紫外光探测器中的初步应用。这些晶体具有低维晶体结构及优异的化学稳定性，能够在常温条件下长期储存。通过X射线衍射和光吸收测量对CsAgBr₂单晶进行了全面表征，以确定其基本性质。该材料表现出较强的紫外（UV）光吸收能力，制备的光探测器也展示了出色的UV检测性能。这些特性表明，一维全无机CsAgBr₂在环保、成本效益以及紫外光探测器性能方面具有巨大潜力。

引言

光探测器是一种利用半导体中的光电效应将光信号转换为电信号的光电器件。这类器件在工业和科学应用中需求量很大[[1], [2], [3], [4], [5]]。现代科学技术的发展使得光电检测技术在军事预警[6]、环境监测[7]、通信技术[8]和生物医学成像[9,10]等领域变得至关重要。深紫外（UV）波段（波长范围约100–300纳米）的光电检测因其独特的物理化学性质而具有广阔的应用前景。深紫外光可用于大气监测，以检测有害气体和污染物，其在深紫外波段具有特征吸收峰，从而实现高灵敏度的检测。在生物医学领域，深紫外光可以激发生物分子的荧光，实现细胞和生物组织的无标记成像。传统的深紫外光检测材料（如Si和GaAs）存在局限性，例如对深紫外光的吸收效率低，在高能量紫外光照射下光电性能下降。因此，研究人员正在探索新型高性能的深紫外光检测材料。

近年来，一类独特的无机金属卤化物因其高吸收系数、长载流子扩散长度、优异的电荷传输性能和缺陷容忍度而受到广泛关注[[11], [12], [13], [14], [15]]。最常见的金属卤化物光探测器（PDs）基于三维（3D）钙钛矿（ABX₃），其中A、B和X分别代表有机或无机阳离子、Pb阳离子和卤化物阴离子[16,17]。然而，3D钙钛矿面临诸如湿度/氧气不稳定性、Pb²⁺毒性以及较差的紫外-蓝色灵敏度等问题，限制了其实际应用[18]。因此，开发高性能全无机无铅金属卤化物PDs对于充分发挥其功能和环境优势至关重要，同时需要克服毒性、复杂的制备过程和稳定性问题[[19], [20], [21], [22]]。

CsAgBr₂具有特殊的晶体结构，金属离子和卤素离子的排列使其具有独特的电子态分布[23]。研究表明，CsAgBr₂的能带结构在深紫外波长范围内具有优异的吸收特性，能够有效吸收高能紫外光子并产生光生载流子[24]。此外，CsAgBr₂表现出高的载流子迁移率和延长的载流子寿命，从而提高了光探测器的响应速度和灵敏度。尽管具有这些优点，仍需进一步研究CsAgBr₂以优化其光检测性能、设计器件结构，并确保其在深紫外光检测领域的实际应用稳定性。

本研究采用简单的反溶剂结晶方法成功制备出了高质量的CsAgBr₂单晶，最长单晶长度可达1.6厘米（图1）。与传统固态合成方法[25]相比，我们的方法在较温和的温度条件下进行，能耗更低，同时产物的纯度更高，副产物极少。我们研究了低维CsAgBr₂的深紫外光检测性能，并对其结构和光电性质进行了表征，重点关注深紫外区域的吸收特性。通过优化基于CsAgBr₂的光探测器，我们实现了性能的提升，包括响应度、检测灵敏度和响应速度方面的改进。这些结果为在深紫外检测中应用低维金属卤化物提供了理论见解和实际指导，有助于下一代光检测材料的发展。

部分内容摘要

CsAgBr₂单晶的制备

使用纯度为99%的CsBr（Aladdin公司）、98%的AgBr（Adamas公司）、高性能液相色谱纯度的异丙醇（中国产）、纯度大于78%的二甲基亚砜（DMSO，中国产）、纯度为99.5%的二甲甲酰胺（DMF）和纯度为99.5%的乙醇（AR），无需进一步纯化即可直接使用。

将摩尔比为1:1的CsBr和AgBr（各0.8毫摩尔）溶解在含有DMSO（4:1）的DMF中，然后在60°C下搅拌。将一定量的前驱体溶液注入适量的异丙醇中。

结构和形态特性

图2展示了使用VESTA软件生成的CsAgBr₂的球棍模型，展示了该材料的结构特征。图2(a)显示CsAgBr₂采用正交晶系，空间群为CmCm，对应的晶胞参数为a = 19.9000 ?, b = 4.5767 ?, c = 5.9487 ?, α = β = γ = 90° [26]。沿轴方向的晶体学分析揭示了其独特的结构特征

结论

总之，我们通过优化的饱和反溶剂结晶方法成功制备出了大规模的CsAgBr₂单晶。CsAgBr₂具有一维晶体结构，[AgBr₅]^4-线性链由Cs⁺阳离子隔开，这使其在自然环境中的稳定性优异。该材料具有宽禁带（约3.77 eV），使其光电器件能够在紫外光下有效工作

CRediT作者贡献声明

郭恒：撰写初稿、监督研究、争取资金、进行数据分析、数据管理。李竹欣：软件支持、资源调配、研究开展、资金争取。张芳芳：数据管理。马家军：研究开展、数据管理。朱一志：撰写稿件、审稿与编辑。魏贤：资源调配、方法论设计。刘晓飞：资源调配、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了山西省基础研究计划（编号202403021212181）、太原工业大学科研启动资金（编号2023LJ017、2023KJ055）、安徽新型显示产业通用技术研究中心主任基金（编号GTND2023ZR03）以及安徽建筑大学自然科学基金（编号2023QDZ05）的支持。