基于等离子激元强干涉的窄带纳米级超薄光电探测器的研究

The outstanding photoelectric property, including the high photoelectric conversion efficiency and the surface electron recombination, has driven the rapid development of the wavelength-selective narrowband photodetector. However, the surface electron recombination has restricted further decreasing the thickness of the detector with the required narrowband photoresponse, leading to the thickness of the detector sub-micrometers. To solve this bottleneck issue, in this project, a nanometer thick (<50 nm) ultrathin narrowband photodetector is proposed through utilizing the strong interference mechanism which arises from a nanometer thick absorber layer deposited on a metal substrate. By utilizing the plasmonic effect and the hot electron generated from the metallic nanoparticles, high photoresponsivity at different wavelengths can be obtained with a much narrower FWHM less than 50 nm. We believe our research in this project will lay the foundation for the next generation of high performance photodetector in terms of high efficiency, narrowband response and high degree of integration.

钙钛矿材料优异的光电特性具有高的光电转化效率及表面电子复合机制，带动了超薄、波长可调谐的窄带光电探测器的迅速发展。然而，基于表面电子复合机制使得钙钛矿薄膜光电探测器的厚度与波长响应带宽形成相互制约，因而目前钙钛矿窄带光电探测器的膜厚停留在亚微米量级。在前期研究的基础上，本项目拟突破这种制约关系，通过研究金属界面的强干涉效应，实现纳米级（<50纳米）的超薄窄带响应光电探测技术。通过研究等金属离子结构的热电子效应及共振波长选择性，提高薄膜光电响应效率并进一步压缩波长响应带宽到亚50纳米。本项目的研究可为下一代高效率，窄带波长响应及高集成度的光电探测器件提供新颖的实现机制和技术手段。

表面电子复合机制使得钙钛矿薄膜光电探测器的厚度与波长响应带宽形成相互制约，因而目前钙钛矿窄带光电探测器的膜厚停留在亚微米量级。为实现超薄且波长可调谐的窄带光电探测技术，本项目开展了钙钛矿薄膜大面积、高光电转换性能的探测器的研究。通过纳米结构（金属、非金属）增强器件的吸收的效率，通过金属-介质-金属多层膜结构调控吸收波长，开发基于刮涂法的制备大面积钙钛矿薄膜等技术实现高质量钙钛矿超薄薄膜的制备。研究内容包括（1）明确纳米结构对钙钛矿材料吸收增强机制，建立基于纳米结构增强钙钛矿光电器件的模型，优化纳米结构实现钙钛矿器件的吸收增强；（2）研究大面积制备高结晶质量钙钛矿光电薄膜的制备方法，采用纳米刮涂制备工艺，通过对前驱液添加MACl和真空预结晶方法，控制结晶速度和控制结晶晶粒尺寸均匀性；（3）最后通过研究多金属-介质-金属的层膜结构钙钛矿探测器结构，通过对多层膜结构的设计优化，实现针对蓝光、绿光、和红光的具有波长选择性的钙钛矿窄带探测器。本项目的研究不仅对波长可调谐的窄带钙钛矿探测器技术发展具有重要意义，而且对高质量，大面积钙钛矿薄膜制备及其在能源领域中的应用也具有重要应用价值。