国家纳米科学中心中科院纳米系统与多级次制造重点实验室丁黎明

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具有可调和选择性光谱响应的器件具有广泛的应用，例如机器视觉、颜色选择成像、生物医学传感和国防等领域。人们已经提出了各种策略来制造具有选择性光谱响应的器件，例如使用光学滤波器、自过滤效应、等离子体效应和表面电荷复合引起的窄带响应等。然而，通常情况下，光敏材料只能产生一个响应范围。因此，为了获得多光谱响应，需要一系列吸光材料阵列、分光系统或滤光片，从而增加了设备的尺寸和复杂性。缩小多光谱响应设备的尺寸将促进新应用的发展，例如微型光谱仪和高光谱成像。梯度带隙材料在不同位置具有逐渐变化的组分，可以产生多光谱响应。一个例子是梯度CdS1-xSex(0≤x≤1)纳米线，其组成从CdS逐渐变为CdSe时带隙范围从2.44电子伏特到1.74电子伏特。通过这种组分渐变纳米线的多光谱响应，可以制造微型光谱仪和多波段光电探测器。然而，通常需要复杂的沉积过程才能制造梯度带隙纳米线。金属卤化物钙钛矿材料由于其低温溶液可加工性和可调的带隙而成为制造带隙梯度材料的良好候选材料。通过顺序沉积，可以很容易地制备具有垂直组分梯度的钙钛矿薄膜。但是，缺乏简单的方法来沉积具有横向组分梯度的带隙梯度钙钛矿薄膜。

        国家纳米科学中心丁黎明团队和华东师范大学保秦烨团队合作开发一种制备梯度组分薄膜的简单方法。利用前期开发的自铺展制备工艺，同时滴2滴不同组分的溶液到基底上，两滴溶液的自发铺展使溶液相互接触，进而相互扩散自发形成梯度组分薄膜。用这个方法成果制备了具有可调梯度区宽度的MAPbCl3-MAPbBr3和MAPbBr3-MAPbI3薄膜，它们在梯度区的不同位置表现出不同的带隙，从而可以实现多光谱响应。用梯度组分薄膜制作了宽带和窄带光谱响应的自驱动光电探测器，响应范围根据工作位置的变化可连续调节。通过使用单组分钙钛矿薄膜作为滤光片，实现了FWHM为19.8nm的窄带光谱响应。将梯度带隙钙钛矿薄膜作为滤光片，获得了峰值波长从455至760nm的连续可调窄带响应。进一步利用多波段光电探测器制作了自驱动光谱仪，成功地解析了窄带和宽带光谱。这种溶液互扩散的制备方法简单易行，可用于制造多种组分梯度材料。
       我们发现可以通过两个液滴的互扩散来制备组分梯度膜。如图1所示，两滴溶液滴到基底上以后自发铺展，然后两个液滴接触并融合，在中间形成接触线，随后两种溶液相互扩散，产生溶质浓度梯度，在溶剂蒸发后形成具有横向组分梯度的薄膜。梯度区域的宽度取决于相互扩散时间，可以通过改变液滴之间的距离、溶液的体积和衬底的温度来调节相互扩散时间，从而制备具有不同梯度区域宽度的薄膜。利用梯度组分薄膜可以很容易地制备自驱动光探测器，在梯度组分区域制备电极阵列，每个单元器件都有不同的光响应范围。横跨梯度组分制备电极，在薄膜不同位置有不同的光响应范围。将钙钛矿薄膜作为滤光片与梯度组分薄膜制备的光探测器相结合，可以制备窄带光探测器，利用梯度组分薄膜可调的光响应，可以调节响应的半峰宽，最窄可达19.8 nm，与单晶钙钛矿窄带探测器相当。进一步将不同光响应的器件结合，首先测量每个元器件的光响应曲线，然后测量未知光谱照射下每个元器件的光电流，通过解方程组可以反推出未知光谱，从而制备出自驱动的光谱仪。
       文章信息：Zuo C, Zhang L, Pan X, et al. Perovskite films with gradient bandgap for self-powered multiband photodetectors and spectrometers. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5714-y.