【研究背景】

由單一器件構成的近紅外-太赫茲（NIR-THz）寬譜光電探測器在成像，遙感，通信和光譜學等諸多領域具有潛在的應用價值。特別是隨著太赫茲技術的不斷發展，空間網絡通信和生物醫學成像等領域迫切需要具有自驅動、快速響應和室溫運轉性能的太赫茲探測器。然而，現有的商用探測器（如bolometer, Golay cells, Schottky diodes等）很難滿足要求。近年來，隨著新型半導體材料的發展，基于塞貝克效應的光熱電（PTE）探測器，由于其結構簡單、自供電、低功耗和室溫操作等優點，在寬帶檢測中顯示出了潛在的應用前景，成為NIR-THz波段檢測的優秀候選者。

一般來說，對于提高PTE器件整體響應的塞貝克系數最有效的策略是用兩種不同的材料構建異質結。近年來，有科研小組證明鈣鈦礦材料不僅具有優異的光電特性，還是一種極具潛力的熱電材料，具有較大的賽貝克系數和較低的熱導。同時，PEDOT:PSS熱電器件因其高熱電性能（其最高的賽貝克系數可達436 μV/K，電導可達104 S/m）、簡單和柔性的制備工藝等特性而受到越來越多的關注。因此，將這兩種高熱電性能的材料有機的結合在一起能夠制備出具有高性能的熱電探測器并有效地應用于NIR-THz波段檢測。

【成果簡介】

近日，天津大學姚建銓院士、張雅婷副教授、李依凡博士課題組提出利用 MAPbI3 /PEDOT:PSS復合材料制備了具有快響應的自驅動室溫運轉的光電器件，實現了NIR-THz寬光譜探測。通過 MAPbI3 /PEDOT:PSS復合材料的設計，增強了光熱電系統的賽貝克系數提高了器件的整體響應度，同時利用 MAPbI3 /PEDOT:PSS復合材料特性實現了快響應探測，響應時間可達28 μs。該器件的研究為高性能、快速、自驅動、室溫運轉的近紅外-太赫茲寬譜探測器的研制提供了新的途徑。相關研究成果在2020年7月發表在Journal of Materials Chemistry C ，論文鏈接為： https://doi.org/10.1039/D0TC02399J 。

圖1  MAPbI3  /PEDOT:PSS材料表征

較低的響應度和超慢的響應速度是制約自驅動太赫茲光電探測器廣泛應用的關鍵因素，同時室溫運轉的困難也是不容忽視的一個問題。為解決此難點，團隊通過MAPbI3 /PEDOT:PSS復合材料構建異質結的設計，增強器件整體的賽貝克系數，同時提升器件的光電性能轉化能力。通過賽貝克系數測試結果顯示，MAPbI3 /PEDOT:PSS復合材料制備的器件賽貝克系數值最高達到525 μV/K, 比單純的MAPbI3  器件高出一個數量級。同時，從太赫茲波段的吸收光譜來看，MAPbI3 /PEDOT:PSS器件吸收率要比單純的MAPbI3器件高。

圖2 MAPbI3  /PEDOT:PSS器件I-V特性曲線特性

電流-電壓（I-V）特性實驗顯示，MAPbI3 /PEDOT:PSS復合材料器件在正負5 mV范圍內展示出典型的賽貝克效應I-V特性曲線。由于異質結和器件不同材料能級差，導致器件在無光照條件下形成內建電場，I-V曲線不過零點。通過分析表明內建電場方向與賽貝克效應所產生的電場方向相反。光電特性曲線顯示，MAPbI3 /PEDOT:PSS復合材料器件在1064 nm和 2.52 THz波長范圍內的多波段激光輻照下展示出穩定且可重復的光開關特性，隨著輻照光波長的增加，光響應度降低。同時，在零偏壓下表現出快的響應速度為28 μs @1064 nm。

圖3 MAPbI3  /PEDOT:PSS器件近紅外-太赫茲光電響應

在此基礎上，利用光熱電理論模型以及溫度/光電流變化曲線充分證明了該器件的光熱電效應機制。這項工作表明，MAPbI3  /PEDOT:PSS器件是構建快響應、自驅動、室溫運轉的近紅外-太赫茲寬帶探測器有潛力的候選材料，為未來自驅動室溫運轉的寬帶、高靈敏度新型光電探測器研究提供理論基礎和技術支撐。

圖4 MAPbI3  /PEDOT:PSS器件近紅外-太赫茲光熱電理論機制分析

該工作近期以“A Fast Response, Self-Powered and Room Temperature Near Infrared-Terahertz Photodetector based on MAPbI3  /PEDOT:PSS Composite”為題發表在期刊Journal of Materials Chemistry C上，文章第一作者為博士研究生李依凡，通訊作者為張雅婷副教授，姚建銓教授。