【电子科学与工程学院】日前，吉林大学电子科学与工程学院（集成电路学院）新型光电探测材料与器件团队在光电探测领域取得重要进展，该研究成果以“Ultra-narrowband perovskite single-crystal photodetector enabled by dynamic space charge region for portable concentration detection”为题在线发表于《Science Advances》。

窄带探测是指仅对特定波长光信号产生响应的探测技术，在生物医疗、环境监测和信息加密等领域具有广泛应用。目前，窄带探测主要通过宽带光电探测器与窄带滤光片相结合的方式实现。然而，滤光片的引入不仅增加了系统集成复杂度，还大幅提升了窄带探测的成本。为摆脱对滤光片的依赖，研究人员基于有机和金属卤化物等宽谱吸收材料，发展了电荷收集窄化、表面电荷复合以及激子解离窄化等多种窄带探测机制。这些机制主要利用载流子漂移距离差异和表面电荷复合等过程，选择性收集光生载流子，从而在活性材料吸收截止边附近实现窄带响应。基于金属卤化物钙钛矿单晶的窄带探测器，得益于材料优异的结晶度和陡峭的吸收截止边，其半高全宽相比其他材料窄带探测器更窄。然而，这类探测器本质上依赖表面缺陷来实现窄带探测，这一属性制约了半高全宽的进一步缩窄和光电性能的进一步提升，其综合性能仍难以媲美商用窄带探测系统。

研究团队基于钙钛矿材料的特性，首次提出了一种利用动态空间电荷区实现窄带探测的新机制，如图1所示。该机制主要依靠光照和偏压的共同作用，在钙钛矿单晶内部诱导出可移动离子。在电场作用下，这些可移动离子在器件表面附近聚集，形成由离子构成的空间电荷区。

图一：动态空间电荷区实现窄带探测的原理图。(A-B) 无动态空间电荷区时，器件的载流子输运过程与宽谱外量子效率示意图。(C-D) 存在动态空间电荷区时，器件的载流子输运过程与宽谱外量子效率示意图。(E-F) 动态空间电荷区展宽时，器件的载流子输运过程与宽谱外量子效率示意图。

该区域一方面可以屏蔽短波光生载流子的收集，从而在实现窄带探测的同时，彻底摒弃了钙钛矿单晶窄带探测对表面缺陷的依赖；另一方面，还能诱导外界电荷注入，使目标波段的光电响应得到倍增，大幅提升器件的探测性能。结果表明（如图2所示），基于动态空间电荷区机制的钙钛矿单晶窄带探测器，不仅实现了最低9 nm的超低半高全宽，还将器件的窄带外量子效率从原先的23%提升至252%，实现了数量级的增长。

图二：钙钛矿单晶光电探测器光电性能表征。(A-B) 不同偏压以及不同光强下，器件宽谱外量子效率。(C) 不同偏压以及不同光强下，器件窄带抑制比数据汇总。(D) 空间电荷区对器件载流子注入影响示意图。(E-F) 器件在不同环境下的电流-电压特性曲线。(G) 在增强动态空间电荷区前后，器件宽谱外量子效率。(H)器件宽谱比探测率。(I) 器件性能对比。

通过一系列光电表征，研究详细探究了钙钛矿单晶器件在工作状态下其内部离子空间电荷区的动态变化过程（如图3所示），证实了窄带探测来源于这种动态空间电荷区的作用机制。

图三：动态空间电荷区表征。(A-C) 不同条件下器件的电容-频率特性曲线。(D) 电场分布测试示意图。(E-G) 不同时间下器件表面感应电压的空间分布。(H-J) 不同时间下器件内部电场及空间电荷区分布示意图。

将其应用于白光干扰下的污水浓度检测（如图4所示），验证了其优异的窄带探测性能，并可媲美商用窄带探测系统，为钙钛矿单晶窄带探测器的商业化应用提供了一条有前景的路径。

图四：基于钙钛矿单晶窄带探测器的污水浓度检测应用。(A) 反射式污水浓度检测示意图。(B) 不同污染浓度测试结果汇总。(C) 增强空间电荷区前后，钙钛矿单晶器件测试结果。(D) 钙钛矿单晶器件在白光干扰下测试结果。(E) 商用窄带探测系统在白光干扰下的测试结果。

该论文的第一作者为吉林大学博士生胡刚舰，通讯作者为吉林大学沈亮教授、吉林大学张佳旗教授和南昌大学姚凯教授。本工作得到了国家自然科学基金的资助。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz9250