金屬鹵化物鈣鈦礦在可穿戴FPD和圖像傳感器應用中的性能

金屬鹵化物鈣鈦礦（MHP）具有低溫溶液可加工性、機械柔性和優異的光電性能，是下一代柔性光電探測器（FPD）的理想材料。然而，多晶金屬鹵化物鈣鈦礦中的缺陷和離子遷移往往會導致暗電流過高且不穩定，從而降低其檢測極限和長期運行性能。

據麥姆斯咨詢報道，近日，浙江大學的楊旸教授和西湖大學朱博文研究員領導的聯合研究團隊在Nature Communications期刊上發表了題為“Enabling low-drift flexible perovskite photodetectors by electrical modulation for wearable health monitoring and weak light imaging”的論文，提出了一種電場調制策略，可將基于金屬鹵化物鈣鈦礦的柔性光電探測器的暗電流顯著降低1000倍以上（從~5 ?nA降至~5 pA）。同時，金屬鹵化物鈣鈦礦中的離子遷移被有效抑制，基于金屬鹵化物鈣鈦礦的FPD表現出長期連續的工作穩定性（~8000? s）、低信號漂移（~4.2?×?10?? pA/s）和超低暗電流漂移（~1.3?×?10?? pA/s）。受益于提出的電調制策略，研究人員成功演示了一種高信噪比的可穿戴光電容積脈搏波（PPG）傳感器和用于弱光成像的有源矩陣光電探測器陣列。這項研究工作為提高金屬鹵化物鈣鈦礦在可穿戴FPD和圖像傳感器應用中的性能提供了一種通用策略。

為了控制金屬鹵化物鈣鈦礦的缺陷密度和抑制離子遷移，人們已經進行了大量的研究工作。值得注意的是，提高鈣鈦礦的電阻率已被證明是獲得低暗電流的一種實用方法。然而，賦予金屬鹵化物鈣鈦礦與商業低噪聲硅光電探測器（PD）相媲美的高電阻率是一項挑戰。同時，在傳統的光電導型PD中，暗電流和光感應電流在同一路徑中傳導（圖1a）。高電阻率反過來會降低光激電流和靈敏度。此外，由于信號電極和接地電極之間存在電勢差（圖1c），離子遷移將不可避免地發生在傳統的光電導型PD中。

圖1 傳統光電導型和電場調制柔性光電探測器（FPD）的比較

因此，本文提出了一種通用而有效的電場調制策略，以降低光電導型金屬鹵化物鈣鈦礦基光電探測器中的暗電流并抑制離子遷移。與傳統的光電導型PD器件結構相比，一種控制電極（CE）被引入用于施加控制電壓（圖1b）。由于沒有柵極介電層，因此它可以提供更直接和更強的電流控制能力。在電場調制下，從接地電極發出的所有暗電流都可以被控制電極吸引和收集，而信號電極可以獲得沒有暗電流的光電流。此外，施加的控制電壓還能改變信號電極和接地電極之間的電場分布（圖1d）。由于信號電極周圍的電勢分布是均勻的，因此可以有效地抑制信號電極附近區域中的離子遷移（由電場驅動）。

根據不同的控制電壓值，當信號電極施加恒定電壓（>0?V）時，電場調制光電探測器的工作狀態分為四個階段（圖2a）。為了進一步說明控制電壓的影響，研究人員使用COMSOL軟件對鈣鈦礦薄膜中的電勢分布進行了模擬（圖2b）。為了驗證電場調制方法在實際應用中的有效性，研究人員在無色聚酰亞胺（CPI）襯底上制備了帶有控制電極的基于金屬鹵化物鈣鈦礦（FA0.92Cs0.04MA0.04PbI3，厚度為500 nm）的FPD。當信號電極施加0.1?V時，信號電極收集的暗電流隨著控制電壓的增加而逐漸減小，甚至達到負值（圖2c）。正如預期的那樣，當控制電壓設置為臨界電壓（CV）時，暗電流可降至零（階段iii）。圖2d顯示了不同控制電壓下信號電極的電流-時間（I-t）曲線。圖2e顯示了電場調制FPD（階段iii）在弱光照射（520 nm，50 nW/cm2）下約8000 s的長期運行穩定性。

圖2 電場調制FPD的詳細工作機制

為了系統地研究電場調制FPD的光電特性，使用不同波長（405、520、600和800 nm）的可見光照射FPD，結果如圖3所示。與純FAPbI3和MAPbI3組成的鈣鈦礦相比，本研究采用了一種更穩定的含銫三陽離子鈣鈦礦（FA0.92Cs0.04MA0.04PbI3，厚度為500?nm）作為光敏材料，這種材料已被證明更穩定，受周圍變量波動的影響更小。

圖3 控制電極施加0和0.1 V時，電場調制FPD的光電特性

為了演示其在可穿戴電子產品中的實際應用，研究人員進行了基于FPD的PPG測試。透射式PPG傳感器的基本工作機制如圖4a所示。在測試過程中，FPD檢測到的光強度會隨著心跳引起的血管體積的變化而波動。因此，可從FPD信號中提取心率（HR）來評估人體的心肺功能。圖4b顯示了PPG測試的實驗設置。在不同入射光強度（72、4.6和2 mW/cm2）下，當控制電壓分別設置為0 V和0.1 V時，FPD檢測到的PPG信號比較如圖4c-4e所示。

圖4 FPD在血液脈搏信號檢測中的應用

上述實驗結果成功地證實了FPD在低光密度下通過電場調制獲得高信噪比（SNR）PPG信號的能力，表明提出的方法在制造低功耗可穿戴電子產品方面的巨大潛力。

最后，將基于金屬鹵化物鈣鈦礦的帶有控制電極的光電探測器與基于16?×?16薄膜晶體管（TFT）的柔性有源矩陣背板單片集成，證實其能在弱光環境下實現高對比度成像（如圖5）。

圖5 有源矩陣柔性光電探測器（AM-FPD）陣列在弱光成像中的應用

綜上所述，這項研究提出了一種通過電場調制來提高基于光電導型金屬鹵化物鈣鈦礦的FPD的光傳感性能的有效策略。在控制電壓的調制下，基于金屬鹵化物鈣鈦礦的FPD的暗電流可顯著降低。同時，光電流信號保持不變。FPD的暗電流降低了1000倍以上（從~5?nA降至~5 pA），并且在520 nm（1 nW/cm2）下的比探測率達到1.1?×?101? Jones。此外，金屬鹵化物鈣鈦礦中的離子遷移被有效抑制，并且FPD表現出長期運行性能，在約8000 s的照射后幾乎沒有暗電流漂移（約1.3?×?10?? pA/s）。受益于優異的光傳感性能，PPG傳感器可以在低入射光強度（2?mW/cm2）下獲得高保真脈搏波形，這對于低功耗可穿戴電子產品的應用至關重要。最后，基于金屬鹵化物鈣鈦礦的光電探測器成功與16×16 In2O3 TFT背板集成，在弱光環境（500 nW/cm2）下實現了高對比度成像。這項研究為用于可穿戴健康監測和有源矩陣圖像傳感器應用的基于金屬鹵化物鈣鈦礦的FPD的實現提供了一種通用策略。

審核編輯：彭菁