近年來，作為光電器件（如太陽能電池、發(fā)光二極管和激光器等）用新型半導體材料，三維鉛鹵鈣鈦礦因具有優(yōu)異的光電子性能被廣泛研究。然而，三維鈣鈦礦存在的鉛毒性以及穩(wěn)定性差等問題嚴重阻礙了其商業(yè)化應用。低維鈣鈦礦材料由于其優(yōu)異的光電性能以及穩(wěn)定性，在光電應用領域引起了廣泛的關注。除了用于光伏和發(fā)光二極管以外，低維鈣鈦礦已成為未來光電探測器有前途的候選者。

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所杜鵑研究員、重慶郵電大學唐孝生教授在《發(fā)光學報》發(fā)表了題為“低維鈣鈦礦光電探測器研究進展”的綜述文章。

該綜述以提升光電探測器的穩(wěn)定性及光響應性能為出發(fā)點，系統(tǒng)地綜述了新型低維鈣鈦礦光電探測器的最新研究進展，對低維鈣鈦礦結構、光電探測器種類及性能參數(shù)進行了簡要介紹，并對低維鈣鈦礦在光電探測器應用中面臨的問題進行了總結，也對該研究領域未來的發(fā)展方向進行了討論。

1 引言

光電探測器可以將入射光（紫外光、可見光或紅外線等）轉換為電信號，這對各種工業(yè)和科學應用至關重要，包括成像、光通信、環(huán)境監(jiān)測和生物傳感。半導體材料是光電探測器的重要組成部分，到目前為止，諸多半導體材料已經(jīng)被用于光電探測器，包括硅、碳納米管、III-V化合物、量子點等，并在改善光探測性能和器件結構設計方面取得了令人矚目的進展。然而，基于這些材料的光電探測器通常需要昂貴的、嚴格的工藝和操作條件，從而阻礙了其商業(yè)化應用。因此，尋找成本更加低廉、工藝更加簡單的候選材料，進一步提高光電探測器的性能，降低成本，簡化制作過程，具有重要意義。

三維金屬鹵化物鈣鈦礦材料獨特的晶體結構使其擁有眾多奇特的化學和物理性質，并且基于三維鈣鈦礦材料的光電器件表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，制造成本低廉。然而，三維鈣鈦礦材料在高溫、高濕度以及光照條件下容易受到破壞，所以長期穩(wěn)定性差以及鉛毒性是阻礙其走向實際應用的兩個主要因素。為了克服這些問題，研究人員引入新型低維鈣鈦礦材料（如圖1），針對不同的器件配置將其加入活性層中，得到了與三維鈣鈦礦相媲美的性能并表現(xiàn)出顯著增強的溫濕穩(wěn)定性。

圖1（a）二維Ruddlesden-Popper；一維（b）和零維（c）鈣鈦礦晶體結構示意圖。

2 結構設計與光響應性能調(diào)控

2.1 低維鈣鈦礦光電探測器

低維鹵化物鈣鈦礦由于其獨特的光電性質以及比三維鈣鈦礦更高的穩(wěn)定性，近年來在光電探測器方面得到了廣泛的研究。其中，二維（2D）層狀結構鈣鈦礦材料的光電探測器顯示出可調(diào)諧的光響應以及較短的響應時間（毫秒）。特別地，基于三層2D鈣鈦礦材料的光電探測器在輸出電流、響應率、光導率和響應時間等方面都優(yōu)于其他層數(shù)的2D鈣鈦礦材料，這主要歸因于其具有更小的光學帶隙和更緊湊的微觀結構。此外，相較于薄膜以及大塊晶體，低維鈣鈦礦納米線由于其各向異性和小尺寸效應而表現(xiàn)出獨特的光電特性，光生載流子沿軸向高效傳輸，有利于改善光電探測器的電荷提取效率，優(yōu)異的器件性能來源于層狀鈣鈦礦中自由載體邊緣傳導和電阻跳變屏障的高效組合。然而，研究表明基于1D 鈣鈦礦光電探測器的響應度低于3D或2D鈣鈦礦結構，相對較低的響應度可能是由于1D鈣鈦礦材料較大的激子結合能導致載流子遷移率較低，或1D鈣鈦礦材料與電極之間接觸較差，因此，需要開展更多的研究來解決這一問題。

2.2 異質結構的低維鈣鈦礦光電探測器

由兩種或兩種以上具有不同功能的材料組成的異質結構有望表現(xiàn)出單一材料系統(tǒng)無法表現(xiàn)的物理現(xiàn)象，并能極大地擴展其在光電器件領域的應用功能。要充分發(fā)掘其潛在的應用，對異質結構的合理設計和可控合成是必不可少的。研究表明，單晶異質結構的鈣鈦礦光電探測器表現(xiàn)出低暗電流、高開關電流比。除了二維鈣鈦礦異質結光電探測器之外，基于二維材料/鈣鈦礦異質結的光電探測器也得到廣泛研究，其結合了二維材料的高載流子遷移率和鈣鈦礦材料優(yōu)越的光學性能，在具備同樣甚至更高的探測性能的同時，器件穩(wěn)定性也得到了改善。基于環(huán)保型的理念使低維無鉛鈣鈦礦異質結構光電探測器受到了廣泛關注。但與基于鉛的異質材料相比，其光電探測性能仍不能令人滿意，需要開展更多的相關研究工作以進一步提高其性能。

2.3 低維柔性鈣鈦礦光電探測器

與傳統(tǒng)的基于剛性硅基板的光電探測器相比，柔性光電探測器由于耐用性、抗沖擊、可彎曲、重量輕等優(yōu)點，在可穿戴和便攜式器件領域具有更廣泛的應用。值得慶幸的是，鈣鈦礦可以通過溶液工藝進行制備，這使得它們有可能組裝成輕便型柔性光電探測器。

3. 展望

隨著光電子技術的快速發(fā)展，低維鈣鈦礦在環(huán)境穩(wěn)定性方面的研究也在不斷深入，通過調(diào)整維數(shù)和晶體結構，具有不同光電性質的低維鈣鈦礦有望為各種光電應用提供更多的可能性。此外，由于其晶體結構獨特、載流子遷移率較高、擴散長度長和穩(wěn)定性高，低維鈣鈦礦光電探測器已經(jīng)表現(xiàn)出了卓越的性能和較好的穩(wěn)定性。然而，低維無鉛鈣鈦礦和基于三維鉛基鈣鈦礦在器件性能上仍存在差距，低維鈣鈦礦器件的工作機理、材料固有性質和復合動力學仍不清晰，需要進行更深層的研究，為進一步的器件優(yōu)化提供有效的指導。同時，深入了解低維鈣鈦礦體系的結構-性質關系，對合理設計和精細操作鈣鈦礦體系的光電性質也很有必要。

論文信息

楊潔, 皮明雨, 張丁可, 等. 低維鈣鈦礦光電探測器研究進展[J]. 發(fā)光學報, 2021, 42(6):755-773. DOI：10.37188/CJL.20210033