第一作者：Feier Fang

通讯作者：Yumeng Shi，Henan Li

第一单位：Shenzhen Universitity（深圳大学）

研究亮点：

1. 通过空间限域法首次制备出横向尺寸~50m，厚度~5nm的二维Cs₂AgBiBr₆。

2. 基于二维Cs₂AgBiBr₆的光电探测器其开关比为7.4×10⁴，响应时间约1.7/1.7ms，探测度可达7.4×10¹⁴ Jones，该探测度是我们所知道的基于Cs₂AgBiBr₆的光电探测器中最高的。

研究背景

光电探测器是一种将入射光信号转换成电信号的光电器件，对于包括成像系统，天文学，军事系统和光通信在内的各种应用来说都是必不可少的。与传统的体相单晶材料相比，二维材料由于其优异的光电特性在光电探测器领域引起了越来越多的关注。尽管用二维材料在制造光电探测器中显示出许多优点，但是二维材料中有限的光路极大地阻碍了其对光收集能力的进一步提高。无铅卤化物双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆因其无毒，化学稳定性高，载流子扩散长度长和检测灵敏度高而引起了光电探测器的极大兴趣。二维Cs₂AgBiBr₆通过离子键连接，更高的电导率导致更高的光电流，二维材料较低的本征载流子浓度导致较低的暗电流。光电流和暗电流的共同作用使得二维Cs₂AgBiBr₆的光电性能更好。而与其他传统的带有有机阳离子的二维钙钛矿相比，不受载流子传输通道中绝缘有机势垒的影响，自由载流子的传输可能会更有利。然而，具有较高结晶质量，较大横向尺寸且超薄的二维无铅卤化物双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆还很少有人报道。我们通过采用空间限域法制备了具有高质量的且具有较大横向尺寸（~50m）和均匀样品厚度（~5nm）的二维Cs₂AgBiBr₆。基于二维Cs₂AgBiBr₆的光电探测器其开关比为7.4×10⁴，响应时间约1.7/1.7ms，探测度可达7.4×10¹⁴ Jones。

成果简介

深圳大学微纳光电子学研究院时玉萌教授课题组报道了通过空间限域法制备的厚度~ 5 nm、横向尺寸~ 50 μm的二维Cs₂AgBiBr₆。超薄Cs₂AgBiBr₆由于其增强的光物质相互作用，在光电探测方面表现出显著的优势，其开关比为7.4×10⁴，响应时间约1.7/1.7ms，响应度54.6 A/W，探测度可达7.4×10¹⁴ Jones。

图1. 基于二维Cs₂AgBiBr₆的高性能光电探测器。

要点1：二维Cs₂AgBiBr₆的制备与表征

通过对改变限域空间中基底的亲疏水性，优化前驱体溶液浓度及限域空间的间隙大小，制备了结晶性良好，横向尺寸~50m，厚度~5nm的二维Cs₂AgBiBr₆。并且当Cs₂AgBiBr₆从体相到减薄至二维时，其吸收光谱发生蓝移，这为制备具有波长选择性的光电探测器打下了良好基础。

图2. 通过空间限域法合成二维Cs₂AgBiBr₆的流程示意图。

图3. 二维Cs₂AgBiBr₆的形貌及成分表征。

图4. 从体相减薄至二维的Cs₂AgBiBr₆光学相关表征。

要点2：基于二维Cs₂AgBiBr₆的高性能光电探测器

通过对基于体相至二维Cs₂AgBiBr₆光电探测器的对比，优化了最优器件的材料厚度（约15nm），其开关比为7.4×10⁴，响应时间约1.7/1.7ms，响应度54.6 A/W，探测度可达7.4×10¹⁴ Jones，且器件响应度与光吸收有较好的相关性，显示出了良好的波长选择性性能。

图5. 体相及二维Cs₂AgBiBr₆光电探测器的性能对比。

图6. 二维Cs₂AgBiBr₆光电探测器波长相关的器件性能及响应时间。

小结

通过空间限域法合成的二维Cs₂AgBiBr₆是用于光电检测很好的替代材料，显示出了良好的光电检测性能。空间限域法可以扩展到其他钙钛矿相关材料，这为探索新型环保高性能光电材料铺平了道路。

参考文献

Fang, F., Li, H., Fang, S., Zhou, B., Huang, F., Ma, C., Wan, Y., Jiang, S., Wang, Y., Tian, B., Shi, Y., 2D Cs₂AgBiBr₆ with Boosted Light–Matter Interaction for High‐Performance Photodetectors. Adv. Optical Mater. 2021, 2001930. 

https://doi.org/10.1002/adom.202001930

作者简介

课题组负责人时玉萌教授，深圳大学特聘教授，2018年全球物理类高引学者，2019，2020年全球材料类高被引学者，长期致力于新型二维微纳光电材料的可控制备及其在光电子器件、低能耗器件、柔性电子电路等方面的应用。在本领域取得了一系列重要进展，多项研究成果国际领先。目前已发表学术论文160余篇，总引用次数＞17，000次, h-index 44。以第一作者及通信作者在国际主流期刊发表多篇高影响力的论文包括：Science, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Optical Materials, Nano Letters, ACS Nano, Small等，获美国专利，中国发明专利多项。