导读

近日，大连民族大学徐文教授、董斌教授团队在Light: Science & Applications发表题为 “Highly DUV to NIR-II responsive broadband quantum dots heterojunction photodetectors by integrating quantum cutting luminescent concentrators” 的高水平论文。团队通过构建CsPbI₃钙钛矿量子点（PQDs）与PbS量子点异质结，高效CsPbCI₃:Cr³⁺，Ce³⁺，Yb³⁺，Er³⁺ PQDs（紫外光转换近红外光）量子剪裁聚光器，实现深紫外到近红外II区全光谱（200-1700 nm）高响应灵敏度，优异稳定性的宽带光电探测器。

研究背景

近年来，蓬勃发展的光电产业改变了世界，并延伸到生活诸多方面。其中，具有深紫外-可见-近红外全光谱探测响应宽带（PDs）作为重要的光电元件，在日常生活中发挥着关键作用。通常，商业化的全光谱PDs主要基于传统的半导体材料，例如：可见-近红外选择硅（Si）基PDs、可见-短波红外采用铟镓砷（InGaAs）基PDs。然而，上述PDs需要复杂的蒸镀制备工艺，且器件运行暗电流及噪声信号相对较大，使得探测性能有待进一步提高。与此同时，由于传统半导体材料具有较高的光反射系数和较浅的紫外光穿透深度，因此制备得到的PDs难以实现对紫外光高灵敏度探测。目前，最为成熟的实现深紫外-可见-红外全光谱PDs制备方法主要基于紫外PDs与可见-红外PDs两者高度集成，然而受限于系统体积、成本及不同类型PDs响应能力的差异等问题，阻碍了商业化的进一步应用。因此，探索和开发深紫外-可见-红外高探测灵敏度全光谱PDs成为当前领域的研究热点之一。

通过构建异质结策略，利用不同波长响应材料协同作用，拓宽探测范围，抑制器件暗电流，提高探测灵敏度的研究已被广泛报道。但是，上述研究主要以拓宽PDs红外响应为目的，对于构筑异质结后两者界面处相互作用、电荷输运关系、器件机械性能及稳定性、异质结层厚度对器件性能的影响等方面缺乏理论及系统的深入探究。此外，利用荧光转换材料吸收深紫外-紫外光后，发射出与PDs响应波长一致的可见或红外光子，进而增强器件紫外探测性能的策略备受关注。

为了实现高效、稳定的深紫外-可见-近红外II区全光谱宽带响应PDs，本论文主要通过以下三方面进行研究：

1、通过稀土钬离子（Ho³⁺）掺杂CsPbI₃ PQDs来提高可见光区域响应性能和器件稳定性（400-700 nm）；

2、通过具有近红外吸收PbS量子点与可见光层复合实现可见-近红外II区波长响应（400-1700 nm）；

3、通过稀土离子（Ce³⁺，Yb³⁺，Er³⁺）掺杂CsPbCI₃:Cr³⁺ PQDs，实现高效的近红外（900-1700 nm）量子剪裁发射，其荧光量子效率为179%。进一步将其构建为荧光聚光器（LC）应用于器件外层，实现高性能的紫外波长响应 （200-400 nm）。最终，制备得到PDs实现了200-1700 nm全光谱响应，同时其整体器件探测性能超过1012 Jones，且具有较好的运行稳定性。

研究亮点

a） 首先将Ho³⁺掺杂CsPbI₃ PQDs中，通过对材料的光电性能研究，可以得出Ho³⁺掺杂提高了CsPbI₃ PQDs 发光量子效率（>>93.5%）和辐射跃迁速率，减少自身的晶格缺陷，获得高效的电子传输特性。同时，CsPbI₃ PQDs材料的紫外光辐照和热稳定性方面也得到了很大提高。

b） 将PbS量子点 与CsPbI₃ PQDs复合，实现了从可见光到近红外II区宽带光吸收（400-1700 nm）；同时复合之后发光强度降低，证明了两者之间实现了有效的电荷传递；进一步通过第一性原理计算，从理论上验证了实验结果的准确性。

c） 制备CsPbCl₃:Cr³⁺，Ce³⁺，Yb³⁺，Er³⁺ PQDs紫外吸收与近红外量子剪裁发射荧光转换材料，其中Cr³⁺掺杂可以减少CsPbCI₃ PQDs自身的缺陷，提高材料稳定性；Ce³⁺作为中间能级，便于CsPbCI₃ PQDs向Yb³⁺，Er³⁺更好的电荷传递，同时其具有4f-5d的深紫外吸收，可以使其整体吸收拓宽至200 nm；Yb³⁺，Er³⁺作为近红外光发射离子，实现900-1700 nm量子剪裁光发射，进而被异质结层吸收。将其制备在聚光器中，提高了近红外光的有效利用，获得到高效的紫外响应 （200-400 nm）。

d） 将三者结合实现了200-1700nm的高灵敏度探测，其在260 nm，460 nm和1550 nm波长处探测响应分别达3.19×10¹²Jones， 1.05×10¹³ Jones，和 2.23×10¹² Jones。同时，器件具有高的稳定性和循环使用特性。（来源：中国光学微信公众号）

图1. （a）不同类型探测器响应波长范围。（b）器件结构示意图。（c）PbS量子点吸收与发射光谱。（d）CsPbCl₃：Cr³⁺，Ce³⁺，Yb³⁺，Er³⁺ PQDs能量传递示意图。（e） CsPbCl₃：Cr³⁺，Ce³⁺，Yb³⁺，Er³⁺ PQDs聚光器， PbS和CsPbCl₃：Ho³⁺ PQDs吸收光谱，以及CsPbCl₃：Cr³⁺，Ce³⁺，Yb³⁺，Er³⁺ PQDs聚光器发射光谱。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01604-0