电调制实现低漂移柔性钙钛矿光电探测器，用于可穿戴健康监测和弱光成像

研究背景

柔性光电探测器 (FPD) 具有优异的光电性能和机械灵活性，在可穿戴健康监测、植入式光电子和人工视觉系统等多种应用领域引起了广泛关注。金属卤化物钙钛矿(MHPs)具有优异的光电性能、低温溶液加工制造、易于与互补金属氧化物半导体技术集成以及与柔性基底兼容等特点，是下一代 FPD 的理想候选材料。最近，基于 MHPs 的 FPD实现了优异的光电性能，包括高增益、超灵敏、波长选择性和超长线性动态范围，可与传统的真空加工同类产品相媲美。然而，多晶 MHPs 中的高缺陷密度 (高暗电流)和臭名昭著的离子迁移 (不稳定暗电流) 阻碍了其光电检测性能，如工作稳定性、信噪比(SNR) 和检测极限(LoD)，而这些对于长期可穿戴健康监测和图像传感器应用至关重要。

为了控制 MHP 的缺陷密度和禁止离子迁移，人们付出了大量努力，例如成分工程、添加剂工程、界面工程和尺寸调节。值得注意的是，提高钙钛矿的电阻率已被证明是获得低暗电流的实用方法。然而，要使 MHP 具有与商用低噪声硅光电探测器(PD)相媲美的高电阻率还很困难。同时，在传统的光电导型光电探测器中，暗电流和光感应电流在同一路径上传导。高电阻率反过来会降低光激发电流和灵敏度。此外，由于信号电极和接地电极之间存在电位差，在传统的光电导型 PD中不可避免地会发生离子迁移。

研究成果

金属卤化物钙钛矿具有低温溶液加工性、机械灵活性和优异的光电特性，因此有望成为下一代柔性光电探测器。然而，多晶金属卤化物钙钛矿中的缺陷和臭名昭著的离子迁移往往会导致暗电流过高且不稳定，从而降低其探测极限和长期运行性能。在此，浙江大学Yang (Michael) Yang & 西湖大学朱博文教授等人提出了一种电场调制策略，可将基于金属卤化物的柔性光电探测器的暗电流大幅降低 1000 倍以上 (从~5 nA 降至~5 pA)。与此同时，金属化物透镜中的离子迁移被有效抑制，基于金属卤化物透镜的柔性光电探测器显示出长期连续的工作稳定性(约 8000 s)信号漂移低(约4.2 x 10-4 pA/s)，暗电流漂移超低 (约 1.3 x 10-5 pA/s)。得益于电调制策略，一种高信噪比的可穿戴式光电血压传感器和一种用于弱光成像的有源矩阵光电探测器阵列得以成功展示。这项工作提供了一种通用策略，可用于提高可穿戴柔性光电探测器和图像传感器应用中的金属卤化物过氧化物的性能。相关研究以“Enabling low-drift flexible perovskite photodetectors by electrical modulation for wearable health monitoring and weak light imaging”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Comparison of conventional photoconductive-type and electrical field modulated flexible photodetectors (FPDs).

Fig. 2 | Detailed working mechanism of the electrical field modulated FPD.

Fig. 3 | Photoelectric properties of the electrical field modulated FPD when the control electrode was applied with 0 and 0.1 V.

Fig. 4 | Application of the FPDs for blood pulse signal detection.

Fig. 5 | Application of the active-matrix flexible photodetector (AM-FPD) array for weak light imaging.

总结与展望

综上所述，作者报告了一种通过电场调制来提高光电导型 MHPs FPD 光感应性能的有效策略。在控制电压的调制下，基于 MHPS 的 FPD的暗电流可以显著降低。同时，光电流信号得以保持。因此FPD 的暗电流大大降低了 1000 多倍(从 ~5 nA 到~5 pA)，在 520 nm波长(1 nW/cm2)下的比检测率达到 1.1 x 1014 Jones。此外，还有效抑制了 MHP 中的离子迁移，FPD 在约 8000 秒的照明后几乎没有暗电流漂移 (每秒约 1.3x 10-5 pA)，具有长期工作能力。得益于出色的光感应性能，PPG 传感器可以在较低的入射光强度 (2 mW/cm2)下获得高保真脉搏波形，这对于低功耗可穿戴电子产品的应用至关重要。最后基于 MHPs 的光电探测器成功与 16 x16 In2O3 TFT 背板集成在弱光环境(500 nW/cm2)下实现了高对比度成像。这项工作为实现基于 MHPs 的高性能 FPD 提供了一种通用策略可用于可穿戴健康监测和有源矩阵图像传感器应用。

文献链接

Enabling low-drift flexible perovskite photo[1]detectors by electrical modulation for wearable health monitoring and weak light imaging

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40711-1

转自：“i学术i科研”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！