近日，材料與環(huán)境工程學(xué)院張騏教授團(tuán)隊(duì)以杭電為第一單位在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Small上發(fā)表了題為Epitaxial Growth of Lead-Free 2D Cs3Cu2I5 Perovskites for High-Performance UV Photodetectors的最新研究成果論文（影響因子15.153），并被選為封底文章。其中碩士研究生呂嘉楠為論文第一作者，張騏教授為通訊作者。杭州電子科技大學(xué)研究生陸欣月、教師李馨博士、徐旻軒博士、鐘家松博士、鄭鑫博士、史月琴博士、張雪峰教授參與本項(xiàng)工作。
光電探測(cè)器是一類光電器件，其中特定波長(zhǎng)(紫外線、可見(jiàn)光和紅外線)的光信號(hào)可以被捕獲并轉(zhuǎn)換成可讀的電信號(hào)，賦予了光譜分析、礦物勘探、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種應(yīng)用。追求光學(xué)探測(cè)突出能力的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展依賴于對(duì)關(guān)鍵半導(dǎo)體材料的探索，如節(jié)能、輕質(zhì)和柔性元器件。近年來(lái)，巨大的注意力集中在具有有趣特征的金屬鹵化物鈣鈦礦上(例如，帶隙可調(diào)，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度大，光吸收比大和較高的電荷載流子遷移率) ，然而現(xiàn)階段鈣鈦礦的研究以鉛基鈣鈦礦為主，鈣鈦礦中鉛離子的毒性和不穩(wěn)定性將造成不可忽視的環(huán)境污染，甚至對(duì)人類有害，從而極大地阻礙了其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。在這種情況下，具有類似光電潛能的環(huán)保的無(wú)鉛鈣鈦礦正在引起消費(fèi)市場(chǎng)的極大興趣。
本項(xiàng)工作報(bào)導(dǎo)了國(guó)際上首次在云母襯底上外延生長(zhǎng)了2D全無(wú)機(jī)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Cs3Cu2I5單晶，厚度可達(dá)10nm。為構(gòu)筑基于單個(gè)Cs3Cu2I5納米片的紫外(UV)光探測(cè)器，本團(tuán)隊(duì)提出了的一種快速且無(wú)蝕刻的干法轉(zhuǎn)移方法制備，器件的響應(yīng)率達(dá)到3.78A/W(270nm，5V )，響應(yīng)速度(τrise ≈163ms，τdecay≈203ms)，優(yōu)于基于其他2D 金屬鹵化物鈣鈦礦的同類UV傳感器。因此，這項(xiàng)工作為基于無(wú)鉛二維鈣鈦礦的綠色光電器件的制造提供了可能性，這對(duì)于光電技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
團(tuán)隊(duì)利用Cs3Cu2I5與云母基底間晶格較小的失配度，以限域式生長(zhǎng)法，可控地外延生長(zhǎng)了大批量高質(zhì)量的2D納米片。
圖1、a)用于合成Cs3Cu2I5納米片的化學(xué)氣相沉積裝置示意圖; b) Cs3Cu2I5晶體的原子結(jié)構(gòu)。c) Cs3Cu2I5晶體的厚度和尺寸分布隨生長(zhǎng)溫度的變化。d)在云母襯底上生長(zhǎng)的 Cs3Cu2I5晶體和 e)大小為33.5 μm的Cs3Cu2I5納米片的光學(xué)圖像。f)在Cs3Cu2I5薄片上測(cè)量平面成像和厚度。
通過(guò)XRD、Raman表征證實(shí)納米片為高質(zhì)量單晶，XPS譜表明材料中的元素成分，復(fù)合Cs3Cu2I5的化學(xué)計(jì)量配比。
圖2、a)位于云母襯底上的Cs3Cu2I5納米片的Sem圖像。b)樣本的XRD衍射峰，與底部的Cs3Cu2I5(JCPDS#79-0333)進(jìn)行比較。c)斯托克斯拉曼光譜。d) Cs3Cu2I5納米片(左)和觀察到的藍(lán)色發(fā)射(右)在紫外燈激發(fā)(≈254nm)下。e)片狀表面的放大圖像，具有Cs(黃色)、Cu(綠色)和I(白色)的EDX元素映射。
圖3、a)在云母襯底上的Cs3Cu2I5晶體的XPS測(cè)量光譜，放大了 b)Cs 3d，c) Cu 2p3和 d) I 3d5元素的視圖。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Cs3Cu2I5納米片的強(qiáng)藍(lán)光發(fā)射來(lái)源于自捕獲激子的輻射躍遷，這種躍遷伴隨著大的斯托克斯位移和微秒級(jí)的衰變時(shí)間。
圖4、a)放置在云母襯底上的Cs3Cu2I5晶體的紫外-可見(jiàn)光吸收光譜，插圖顯示了用于帶隙估算的 Kubelka-Munk (K-M)圖，Edir ≈3.76 eV。b) Cs3Cu2I5納米片的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光(PL)和光致發(fā)光激發(fā)(PLE)光譜(由245nm單色光激發(fā))。c)與溫度有關(guān)的Cs3Cu2I5晶體的PL光譜。d) Cs3Cu2I5樣品的積分PL強(qiáng)度為1/t的函數(shù)。e)300nm激光激發(fā)下的Cs3Cu2I5晶體的時(shí)間分辨PL衰減和單指數(shù)擬合曲線。f)構(gòu)型坐標(biāo)圖說(shuō)明了Cs3Cu2I5納米片的自限制激發(fā)(STE)過(guò)程。
Cs3Cu2I5鈣鈦礦溶于酒精、丙酮等極性溶劑，為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種樣品免接觸液體的器件構(gòu)筑方式，為鈣鈦礦和其他可溶性材料的器件構(gòu)建提供了替代方案。由于其較少的缺陷和晶界問(wèn)題，紫外光探測(cè)性能明顯優(yōu)于液相法合成的Cs3Cu2I5多晶薄膜，在同類型的紫外光電探測(cè)器中也具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
圖5。a)基于Cs3Cu2I5納米片的光電探測(cè)器的兩步干法轉(zhuǎn)移過(guò)程。b)一個(gè)Cs3Cu2I5光電探測(cè)器件的光學(xué)圖像。c)在暗模式和270,365,405nm，≈1mw/cm2的光照下工作的器件的 I-V 特性曲線。d)功率相關(guān)的光電流和冪律擬合曲線(V = 5V,@365nm)。e)響應(yīng)性和外量子效率與光強(qiáng)的圖(V = 5V,@365nm)。f)在器件的時(shí)間分辨光響應(yīng)期間的一個(gè)周期的放大視圖(5V) ，功率強(qiáng)度為≈1mw/cm2@365nm。
材料與環(huán)境工程學(xué)院始終將研究生培養(yǎng)教育放在突出位置，沿用導(dǎo)師-學(xué)科-學(xué)院三級(jí)管理的長(zhǎng)效機(jī)制，出臺(tái)多項(xiàng)研究生管理和激勵(lì)政策，嚴(yán)格執(zhí)行“導(dǎo)師責(zé)任制”，各學(xué)科導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)十分注重研究生優(yōu)良學(xué)風(fēng)的養(yǎng)成，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)院研究生科研成果豐碩，近三年，研究生以第一作者身份發(fā)表SCI論文100余篇，研究生榮獲國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金5人，畢業(yè)生綜合素質(zhì)受到用人單位的肯定。
