日前，我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“Amplified narrowband perovskite photodetectors enabled by independent multiplication layers for anti-interference light detection”为题在线发表于《Science Advances》。

    在荧光成像和检测、信息加密和防伪以及通信领域广泛需要响应特定波长，目前主要通过宽带光电探测器与滤光片相结合实现。然而，滤光片的使用不仅增加了系统集成的复杂性和成本，而且影响了透光率。目前，研究人员已经开发出多种基于有机和无机材料实现窄带探测的策略，包括窄带吸收材料、电荷收集窄化、激子解离窄化、光管理等。电荷收集缩窄机制是利用载流子漂移距离与光穿透深度的差异，选择性地收集长波长光生载流子，实现在活性材料吸收截止边缘的窄带响应。金属卤化物钙钛矿在光伏、发光二极管和光电探测器领域表现出优异的性能，并成功地将电荷收集缩窄机制引入到钙钛矿窄带光电探测器的研究中。由于钙钛矿的带隙易于调谐，可以通过改变其组分来实现宽波长范围内的窄带检测覆盖。为了满足短波长的光生载流子的湮灭，器件的吸收层厚度远远超过载流子的扩散长度，导致响应较弱。研究人员在窄带吸收层中引入掺杂剂以获得增益，从而改善响应。然而，在吸收层中引入掺杂剂使得难以控制陷阱态的浓度与分布，从而无法降低对器件性能的影响。

    研究团队通过结合钙钛矿薄单晶和有机陷阱层制备了倍增窄带光电探测器（ANPD）。光电探测器通过钙钛矿单晶分离出长波长光生电子，并在偏置电压下将其注入到陷阱层中。光生载流子被稠环电子受体掺杂剂捕获后，能带发生弯曲，形成空穴隧穿注入。通过将陷阱层与光吸收层分离，可以有效地控制陷阱态的分布和密度，从而减少陷阱态对性能的负面影响。通过一系列的超快光电表征，证明了ANPDs的增益来源是陷阱层捕获电子引起的电流注入。结果表明，ANPDs在825 nm处获得了2259%的窄带外量子效率响应，是钙钛矿单晶窄带光电探测器的215倍。通过捕获不同光干扰下的目标信号，进一步分析了ANPD的抗干扰能力，为提高钙钛矿单晶窄带探测器的响应能力提供了一条有希望的途径。

    上述研究成果的第一完成单位是吉林大学。该论文的第一作者为我院博士生马尧，通讯作者为沈亮教授和北京大学占肖卫教授。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.adq1127

图一：倍增窄带光电探测器（ANPD）的原理图。(A) ANPD结构示意图及窄带探测机制。(B)有机倍增层的工作机理。(C) PTB7-Th和COTIC-4F的分子结构。(D)钙钛矿和有机材料的能级结构。

图二：不同窄带光电探测器的响应特性。(A)不同偏置电压下钙钛矿单晶窄带光电探测器的EQE。该器件在-20 V偏压下失去良好的窄带响应。(B)不同有机倍增层掺杂比下ANPDs的EQE。(C)不同电压下掺杂质量比为20:1的探测器的EQE。（D至F）利用PTB7-Th:PPIC2 (D)、PTB7-Th:5TTIC (E)和P3HT:PCBM (F)构建了不同的ANPD

图三：超快光电表征。（A和B） MAPbI₃器件(A)和MAPbI₃/有机器件(B)随时间-波长变化的瞬态吸收谱。（C和D） MAPbI₃器件(C)和MAPbI₃/有机器件(D)在选定时间尺度下的瞬态吸收光谱。(E) 750 nm处瞬态吸收光谱随延迟时间的变化。(F) ANPD的TPC表征。

图四：探测器的关键性能。(A) 器件的暗电流和光电流。(B)相对响应随光频率的变化。(C)实测的总噪声电流。(D)-15 V下的比探测率。

图五：ANPD的抗干扰性能表征。(A)测量系统设置示意图。(B)干涉光对硅光电探测器和ANPD的信号波形的影响。(C)干涉光对硅光电探测器和ANPD的信号幅度的影响。（D~F）抑制450nm (D)、520 nm (E)和610 nm (F)干扰光的性能。