基于石墨烯/钙钛矿异质结自驱动柔性图像传感器研究

Intelligent electronics devices, such as human-computer interaction, smart home, implantable and wearable electronics, have put forward higher requirements for flexible electronics devices in future. As an important means of target detection and recognition, flexible image sensors can greatly meet various application needs of intelligent electronics devices in the aspects of flexibility, light, convenience and high integration, and the self-powered flexible image sensors without any external bias will further expand the application scene. This project will focus on the research of self-powered flexible image sensor based on graphene/perovskite heterojunction. Graphene/perovskite heterojunction is used to achieve the photoelectrical signal conversion. The heterojunction combines the high mobility of graphene and the excellent optical absorption properties of perovskite, which is used to improve the performance of the image sensor. Built-in electrical field induced by heterojunction is used to construct the self-powered image sensors. Graphene wet transferring process, plasma etching process and inkjet printing perovskite film technology are used to solve the preparation of graphene/perovskite heterojunction arrays. A design mode of high performance self-powered flexible image sensors is established through the research and optimization of material structures, interface passivation layers. The charge separation, transport and composite mechanisms of graphene/perovskite heterojunction will be revealed. This project is expected to provide an important scientific basis and research foundation for the realizations of the application of self-powered flexible image sensors.

未来人机交互、智能家居、可植入和可穿戴等智能电子设备对柔性电子器件提出了更高的要求。作为目标探测与识别的重要手段，柔性图像传感器可以极大的满足智能电子设备在柔性、轻薄便捷和高度集成等方面的需求，而无源的自驱动式柔性图像传感器将进一步拓宽其应用场景。本项目将针对自驱动柔性图像传感器展开研究，提出了基于石墨烯/钙钛矿异质结实现光电信号转换，利用石墨烯超高的载流子迁移率和钙钛矿优异的光学吸收特性，提高传感器的性能，并基于异质结建立内建电场，实现自驱动图像传感器。采用石墨烯薄膜湿法转移、等离子刻蚀和喷墨打印钙钛矿薄膜技术解决石墨烯/钙钛矿异质结阵列制备。通过材料结构优化、界面钝化层研究，建立高性能的自驱动柔性图像传感器设计模型，揭示石墨烯/钙钛矿异质结电荷分离、输运和复合机理，为实现自驱动柔性图像传感器的应用，提供重要的科学依据和研究基础。

近年来柔性电子器件得到了广泛的关注，其可以用于智能穿戴、医疗等诸多领域。柔性图像传感器是柔性视觉信息获取的主要途径，其可以极大的满足智能电子设备在柔性、轻便、便捷和高度集成等方面的需求。但是，如何提高柔性图像传感器的数据采集质量，仍旧是当前科技领域的研究重点，也是未来柔性电子设备应用中所必须解决的重要问题。. 本项目针对数据采集中所需的光电器件，以及如何提高柔性图像传感器数据采集质量，进行了深入的研究。重点研究了以下内容：. （1）石墨烯-钙钛矿柔性光电探测器阵列及其性能研究；. （2）石墨烯-SnS2柔性光电探测器阵列及其性能研究；. （3）石墨烯-PbO光电探测器阵列及其性能研究；. （4）石墨烯-TeSe光电探测器阵列及其性能研究。. 针对上述光电探测器阵列的光响应性能、柔性弯曲特性、自驱动响应特性、环境稳定性等特性展开了研究，并且获得了重要的研究成果。. 基于不同材料研究的探测器均表现出了良好的光响应特性。其中，石墨烯-PTAA-钙钛矿柔性探测器阵列在360nm激光下测试下，探测率为10E13(Jones)、响应度为10E5(A/W)。经过优化后的探测器响应时间为0.65s、恢复时间为0.78s。石墨烯-PTAA-钙钛矿探测器阵列表面经过旋涂PMMA保护，器件放置在空气中152天后，仍旧表现出良好的光响应特性。另外，基于PET基底研究的石墨烯-钙钛矿和石墨烯-SnS2探测器阵列，表现出了优异的柔性和弯曲性能。探测器阵列弯曲70°时，仍旧表现出了良好的光响应特性；在探测器阵列弯曲30°、器件持续弯曲3000次后，其光响应特性基本无明显的变化。在无偏压、自驱动工作模式下，石墨烯-PTAA-钙钛矿具有一定的光响应特性。. 总之，通过优化材料结构、研究异质结材料界面特性，建立了高性能的柔性图像传感器的设计模型，并深入的分析了石墨烯/钙钛矿等各类石墨烯基光电探测器阵列的电荷分离、输运和复合机理，为实现自驱动柔性图像传感器的应用，提供重要的科学依据和研究基础。