刘生忠团队Advanced Materials: 1300平方毫米高性能钙钛矿单晶数字传感器

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作为太阳能电池应用的超级材料，钙钛矿CH3NH3PbX3（MAPbX3，X = Cl，Br，I）也被认为是光电子应用领域的神奇材料。与多晶薄膜相比，钙钛矿单晶具有更好的固有性能，如发光二极管（LED），由于其高吸收系数，长的电子空穴扩散长度，高载流子迁移率，低激光激发阈值，高光致发光量子产率（PLQY）等。因此，在单晶钙钛矿材料及其在光电子器件中的应用方面的研究不断增加，这些器件包括光电探测器， X射线探测器，伽马射线探测器，高效场效应晶体管（FET），激光器，光电传感器，光电晶体管和太阳能电池。

近日，陕西师范大学刘生忠教授和杨周副教授课题组在国际顶级期刊 Advanced Materials上发表 “A 1300 mm2 Ultrahigh‐Performance Digital Imaging Assembly using High‐Quality Perovskite Single Crystals”的论文，第一作者是博士研究生刘渝城和张云霞。通过微调晶体成核和生长过程，开发了一种低温梯度结晶方法（LTGC）来生长高质量的钙钛矿CH3NH3PbBr3单晶，其载流子迁移率高达81±5 cm2 V-1 s-1（比相应的多晶薄膜大 3倍），899±127ns的长载流子寿命（比相应的多晶薄膜大5倍以上），以及6.2±2.7×109 cm-3的超低缺陷态密度（甚至比单晶硅晶片低4个数量级）。事实上，这些参数优于之前文献报道的钙钛矿单晶：它们在光电传感器中的应用具有比6×1013 Jones还高的探测率，比由硅和InGaAs制成的商用传感器也要大约10-100倍。同时，响应速度快达40 us，比相应的多晶薄膜器件快大约3个数量级。进一步设计和制备了由729像素传感器阵列组成的大面积（≈1300平方毫米）成像组件，由于其优异的性能和均匀性，显示出突出的成像能力。这为用高质量的钙钛矿单晶器件制备高性能的图像传感器打开了新的可能性。所制备的729像素阵列成像组件，具有较高的的响应速度（≈40μs），优异的光响应度，高分辨率成像功能以及优异的稳定性。据我们所知，这是首例基于大尺寸单晶钙钛矿的高性能数字图像传感器的研究报道，为使用高性能钙钛矿单晶材料设计开发新型光电器件铺平了道路。

上述研究工作分别得到中国国家重点研究与发展计划（2017YFA0204800/ 2016YFA0202403），中央高校基础研究基金（2018CBLZ006），国家自然科学基金项目（61674098/61604091），111项目（B14041），国家大学科研基金（批准号：GK261001009，GK201603107），长江学者创新团队（IRT_14R33）。