银岛膜+钙钛矿：实现窄带光探测新方案

封面解读：封面体现了银纳米岛膜和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜协同实现窄带光探测，图中器件结构从上至下依次是银纳米岛膜、PMMA和钙钛矿。其中，银纳米岛膜的局域表面等离激元共振增强了对特征波长入射光的吸收；PMMA薄膜起到钝化银纳米岛膜和钙钛矿接触面的作用，且通过多模式干涉进一步增强吸收；钙钛矿层实现光电转换，将过滤后的光谱转换为电信号。通过优化PMMA层厚度、钙钛矿结晶质量以及吸光层厚度，实现了高性能的窄带光电探测器。

文章链接：何剑涛, 吕且妮, 张明娣, 戴海涛, 付宜凯, 陈小鹏. 基于SPR和干涉模式复合增强窄带钙钛矿光电探测器[J]. 中国激光, 2022, 49(23): 2304004

研究背景

光电探测器是一类具有代表性的光电器件，可根据各种原理将光信号转换为电信号，在高速光通信、航空航天、深空探测、环境监测等领域具有广泛应用。根据光电探测器的工作波长，分为宽带光电探测器和窄带光电探测器。宽带光电探测器波长范围覆盖紫外，红外和可见光区域，主要应用在多色光探测和成像方面，窄带光电探测器可用于光学成像、通信和生物传感等方面。

金属纳米颗粒的表面等离激元共振效应（SPR）是由入射电磁波诱导金属纳米颗粒共振产生的，对入射波长敏感性高，基于金属纳米颗粒的钙钛矿光电探测器，结合金属纳米颗粒SPR的波长选择性和钙钛矿材料优异的光电特性，在窄带光探测领域有广泛的应用前景。但是金属纳米颗粒与钙钛矿的接触会导致钙钛矿的成膜质量下降，降低探测器性能。解决这一难题的方法之一是在金属纳米颗粒和钙钛矿之间引入中间层，以改善成膜质量。目前中间层的制备过程复杂，成本较高，选择合适的中间层材料，并整体优化器件的结构、提升钙钛矿的成膜质量是实现基于金属纳米颗粒SPR的钙钛矿窄带探测器研究中亟待解决的问题。

创新研究

为了制备基于银纳米岛膜的钙钛矿窄带光电探测器，天津大学吕且妮教授团队联合戴海涛教授团队引入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜作为钙钛矿和银岛膜之间的中间层，利用光经PMMA薄膜的干涉效应增强窄带，通过前驱液温度和钙钛矿厚度调控窄带响应，制备了高性能的银纳米岛膜基的窄带光电探测器，实现了窄带探测实验。

PMMA薄膜具有高透光性、制备简单等特点，是制作中间层的理想材料。团队首先对PMMA薄膜的厚度进行优化，通过改变PMMA溶液浓度和旋涂速度获得不同厚度的PMMA薄膜，分析了不同厚度PMMA薄膜对器件性能及钙钛矿结晶性的影响，实验结果如图1所示。光电流与PMMA薄膜厚度有关，在厚度为278 nm处的器件具有较好的钙钛矿结晶性，同时薄膜干涉提高了器件的窄带特性。

图1 不同PMMA厚度下器件的表征。(a)窄带响应随波长的变化曲线；(b)钙钛矿器件的FWHM和光电流；(c)银岛膜的透射谱；(d)钙钛矿薄膜的XRD谱；(e) (110)衍射峰的放大图

为进一步提高钙钛矿的结晶性，可通过选择前驱液温度优化钙钛矿晶粒尺寸，如图2所示，随着温度的提高，钙钛矿晶粒尺寸先增大后减小，结晶性逐渐增强。当温度大于60℃时晶粒间出现较大间隙，影响载流子传输，因此选择最优前驱液温度为60℃。

图2 不同前驱液温度下器件的表征。(a)-(f) 钙钛矿SEM图，前驱液温度分别为室温(~25 ℃)、30℃、40℃、50℃、60℃和70 ℃；(g)光电流随前驱液温度变化关系，入射光波长为550 nm；(h)不同前驱液温度时，钙钛矿薄膜的XRD谱；(i) (110)衍射峰的放大

在满足前两项优化条件的基础上，对钙钛矿吸收层厚度进行探究，结果如图3所示。通过改变钙钛矿前驱液旋涂速度得到不同厚度的钙钛矿吸收层，利用光在不同厚度钙钛矿中路径的不同，优化对光的吸收，随着钙钛矿前驱液旋涂速度增加，钙钛矿薄膜厚度减小，当旋涂速度为5000 r/min时，在窄带中心波长附近有明显的光电流增益。

图3 厚度变化对光传播路径和光电流的影响。(a)钙钛矿薄膜内光传播路径示意图；(b)不同旋涂速度时，光 电流随波长变化曲线；(c)归一化光电流曲线和Si探测器的光电流曲线；(d)不同旋涂速度时的透射谱；(e)不同旋涂速度时样品的光学图像

最后，研究团队对优化后的最终器件进行了性能表征，实现了中心波长为490 nm，FWHM为110 nm的窄带探测，在2 V的外加偏压下，响应峰处具有高达0.6 AW-1的响应度，159 %的高外量子效率和2.73×1013 Jones的比探测度，响应时间ton/toff= 247/266 ms。该探测器制备工艺简单，特别是调控方法简单、性能高，为窄带光探测器提供了一种新的制备思路。

总结

利用银纳米岛膜的SPR和PMMA薄膜的多模式干涉获得了中心波长490 nm半高宽为110 nm的窄带光电探测器。制约探测器窄带性能的主要因素是金属纳米颗粒SPR峰的半高宽，后续工作将围绕降低金属纳米颗粒SPR峰半高宽开展。

作者简介

吕且妮，现任天津大学教授，长期从事3D光电成像与检测、粒子场测量、光调制器、表面等离子激元、钙钛矿探测器等。在Opt. Lett. Opt. Express, Fuel，中国激光等期刊发表高水平论文80余篇，授权发明专利10余项。近年来，课题组承担了多项国家自然科学基金项目、天津市自然科学基金项目及其他项目等。