日前，我院新型光电探测材料与器件团队联合香港大学研究人员在无铅钙钛矿光电探测与精密光斑定位领域取得重要进展。相关成果以“High-performance CsSnI₃ quadrant photodetector enabled by a competitive molecular strategy for precision light-spot tracking”为题，在线发表于《Nature Communications》。
锡基卤化物钙钛矿兼具低毒、窄带隙、高载流子迁移率和低温溶液加工等优势，是发展可见-近红外无铅光电探测器的重要候选材料。然而，Sn2+极易氧化为Sn4+，由此引发的自掺杂、深能级缺陷及晶格退化会显著抬高暗电流和噪声，并削弱器件稳定性。尤其是在常用DMSO前驱体体系中，溶剂分子与Sn2+的配位会促进前驱体阶段的氧化，而既有添加剂策略多侧重结晶过程中或成膜后的缺陷钝化，对这一早期氧化路径关注不足。
针对上述问题，研究团队提出竞争分子策略（competitive molecular strategy, CMS），选用4-十四烷基苯胺（4-TCA）作为代表性分子。其氨基作为Lewis碱，可在前驱体阶段与DMSO竞争Sn2+活性点位，从源头削弱溶剂相关氧化；长烷基链则有助于增强结晶薄膜的疏水性并减缓水汽诱导退化。密度泛函理论、从头算分子动力学、原位核磁共振、红外光谱和X射线光电子能谱共同证实，4-TCA与Sn2+形成更有利的配位状态，并有效降低Sn4+/ Sn2+比例。与此同时，4-TCA调控结晶动力学、提升薄膜结晶度并钝化深能级缺陷，使陷阱密度由1.69×1016 cm-3降低至9.83×1015 cm-3，为低噪声、高稳定探测奠定基础。
基于该策略构筑的CsSnI3光电探测器在零偏压下表现出优异的可见-近红外探测性能：800 nm处外量子效率达到54.9%，响应度达到354 mA W-1；在-0.2 V下暗电流密度较对照器件降低约两个数量级，70 Hz下噪声电流密度由5.43×10-9 A Hz-1/2降至1.03×10-11 A Hz-1/2；400-900 nm范围内表观比探测率超过109 Jones，表观线性动态范围由104 dB拓展至130 dB，响应上升时间达到2.6 μs。未封装器件在氮气中存储18 h和48 h后仍分别保持99%和93%的初始响应度，显示出明显改善的稳定性。
进一步地，团队利用该材料与器件优势构建了首个钙钛矿基四象限光电探测器原型。器件超过90%的有效区域响应波动小于10%，象限间光学串扰低于1%，位置灵敏度达到0.00162 μm-1，可准确分辨低至30 μm的光斑位移，平均定位精度约为3.1 μm。该研究将前驱体阶段的竞争配位、薄膜缺陷调控与位置敏感探测应用贯通起来，为提升锡基钙钛矿光电器件的性能和稳定性提供了新思路，也展示了其在精密光斑追踪、光学对准和位置传感等领域的应用潜力。
论文共同第一作者为吉林大学电子科学与工程学院、集成电路学院在读博士研究生张馨壬和香港大学电机与计算机工程系、先进半导体与集成电路中心在读博士研究生姜继忠，通讯作者为吉林大学沈亮教授和香港大学汪涵教授。本工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、吉林省国际合作与交流项目、吉林省科技合作高技术产业化专项、香港研究资助局以及国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）等的资助。
图一：竞争分子策略的提出与理论、实验验证。(a)有无竞争分子时CsSnI3钙钛矿的晶格对比。(b) 4-TCA和DMSO与Sn2+配位的密度泛函理论计算。(c) 原位核磁共振谱。(d-e) N-H和C-N相关振动的红外光谱。(f-g) N 1s和Sn 3d的X射线光电子能谱。
图二：4-TCA对CsSnI3氧化、结晶和缺陷的调控。(a) O2在有无4-TCA的CsSnI3表面的吸附能。(b)电子密度分布及电荷转移。(c)稳态光致发光光谱。(d) X射线衍射图谱。(e)空穴单载流子器件的空间电荷限制电流特性。(f) 瞬态光电流曲线。(g) 开路电压随光强变化关系。(h) 陷阱态密度分布。
图三：CsSnI3光电探测器性能表征。(a)外量子效率光谱。(b)响应度。(c)暗态电流密度-电压特性。(d)噪声电流。(e)表观比探测率。(f)表观线性动态范围。(g)瞬态响应。(h)与已报道的无铅钙钛矿光电探测器响应速度的对比。（i）未封装器件稳定性。
图四：CsSnI3四象限光电探测器的均匀性与光斑追踪应用。(a)器件结构及光斑检测示意图。(b)光电流面扫描。(c)象限间归一化光学串扰矩阵。(d)位置灵敏度与拟合残差。(e)计算位置与实际位移位置的对比。(f)30 μm位移条件下六个独立器件的定位误差统计。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-76920-7
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