研究背景
波长选择性光电探测器 (PDs) 对特定波长或特定波段窗口的光有反应，在图像传感、光通信和环境监测方面有广泛的应用。其中，由于当今机器视觉和 X 射线断层扫描领域对成像技术的需求不断增加，可见光 PDs 和X射线PDS引起了更多的关注。一般来说商用可见光图像传感器的波长识别是通过硅(Si)基PD和拜耳滤光片的集成来实现的，其中每个像素的2x2红绿蓝绿图案(RGBG)的拜耳滤光片被放置在PD 阵列的顶部，使器件的制造变得复杂，对高密度集成构成挑战。此外，硅材料的刚性限制了未来柔性图像传感器的发展。关于X射线成像，由于非晶硒(a-Se)直接转换探测器的X射线阻挡能力低和电荷传输不足，通常需要很长的成像时间。而基于传统闪烁体的成像器，由于转换效率低和散射引起的光串扰，通常图像质量较差。此外，一些传统的闪烁体，如团块状粉末和块状晶体，需要在高温下烧结，而且由于余辉效应，它们的发光很难在可见区调整。
近年来，由于金属卤化物钙钛矿具有良好的光电特性，包括强光吸收、低缺陷态密度、良好的载流子迁移率、连续可调的带隙等，因此成为有前途的波长选择性 PDs材料。因此，对波长选择性钙钛矿进行回顾，对促进这一研究领域的发展是非常必要的。
研究成果
光谱传感在成像技术、光通信和其他领域发挥着重要作用。然而，商业化的多光谱探测器需要复杂的光学元件，如棱镜、干涉滤光片和衍射光栅，这阻碍了它们向小型化和集成化的发展。近年来，由于金属卤化物钙钛矿具有连续可调的带隙、迷人的光电特性和简单的制备过程，在无光学成分的波长选择型光电探测器 (PDS) 方面已经露头角。在这篇综述中重点介绍了波长选择性钙钛矿 PDs 的最新进展，包括窄带 PDS、双带 PDS、多光谱可识别PDs和X射线 PDS，并强调了器件结构设计、工作机制和光电性能。同时，还介绍了波长选择性 PD 在单/双色成像、全色成像和 X 射线成像等图像传感方面的应用。最后，介绍了这新兴领域的剩余挑战和前景。相关报道以“Recent Progress on Wavelength-Selective Perovskite Photodetectors for Image Sensing”为题发表在Small Methods期刊上。中科院纳米能源与系统研究所潘曹锋研究员为通讯作者，吴文强为第一作者。
图文导读
Figure 1. Schematically demonstrating types of wavelength-selective perovskite PDs, including narrowband PDs, dual-band PDs, multispectral[1]recognizable PDs, and X-ray PDs.
Figure 2. a) Schematic diagram of the CCN mechanism for the narrowband perovskite PD. b) SEM images of CsPbBr3 films. c) Normalized responsivities of PDs fabricated with different thick perovskite films. d) Normalized absorption spectra of perovskite films with different elemental compositions. e)Normalized responsivities of CsPbX3 PDs. f) The photograph of CH3NH3PbBr3 crystal films. g) Bottom and h) top morphologies of CH3NH3PbBr3 crystal films. Scale bar: 2 mm. i) Normalized EQE spectra of PDs fabricated with different thick perovskite films. j) The photographs and SEM images of Cs2SnCl6−xBrx single crystals. k) Normalized EQE spectra of Cs2SnCl6−xBrx narrowband PDs. l) SEM images of MAPbI3 QWs/NWs. m) Normalized EQE spectra of PDs fabricated with different thick QWs layer.
Figure 3. a) The structure of narrowband PDs based on 2D perovskite of (BA)2(MA)Pb2I7. b). Schematic illustration of the carrier generation and separation of PDs with different configurations. c) EQE curves of devices with different structures. d) Specific detectivity of PD with config.1. e) The photograph of (iso-BA)2PbI4 crystals. f) Variation of photocurrent with polarization angle. g) The specific detectivity of the device under the polarization angle of 160°.
Figure 4. a) Device architecture of the self-drive narrowband photodiode devices. b) EQE spectra of the as-prepared device with different thick perovskite layers. c) EQE spectra of the device after laser illumination. d,e) Schematic diagram of the CCN mechanism. Schematic illustration of the f) invert-structured and g) normal-structured narrowband PDs. Specific detectivity spectra of the h) red PD and i) UV PD. Schematic illustration of the optical field distribution and the carrier transport in j,k) invert-structured device and l,m) normal-structured device.
总结与展望
在本综述中，系统地介绍了波长选择型钙钛矿的最新发展及其在图像传感中的应用。近年来，波长选择型钙钛矿的主要性能得到了迅速提高。1)窄带 PD的光谱响应的 FWHM从研究之初的 100 nm缩小到12 nm 左右；2)与光波长相关的负的和正的光反应都在一个双频 PD中实现。3)多光谱可识别的 PD 能够同时检测光强度和光谱，其属性可与商业光谱仪相媲美；4)获得了过氧化X射线PD的超高灵敏度，比已报道的a-Se X射线探测器高出三个数量级。在应用方面，最先进的多光谱可识别PD和X射线探测器分别表现出全色成像和高分辨率X射线成像的能力。所有这些都要归功于高质量钙钛矿材料的可控合成和新机制的提出。
波长选择型钙钛矿 PDs 在满足实际应用方面仍然存在一些挑战。1)尽管已经组装了一系列的钙钛矿窄带 PDs，但将具有不同识别波段的窄带 PDS，如红色、绿色和蓝色集成在一个单一的单片衬底上，仍然是一个挑战。钙钛矿材料与涉及极性液体的微纳米加工技术不兼容，因此需要有新的设备加工方法来集成窄带钙钛矿 PDS。这一目标的实现可以将其应用扩展到全色成像。2) 迄今为止报道的大多数波长选择性 PD 都是像素数少、分辨率低的器件演示。采用交叉型的器件结构是利用大规模和高分辨率的器件的有效途径。这种装置的组装可以大大优化成像质量。对于微型光谱探测器，其光谱分辨率可以通过增加像素数来进一步提高。3) 卤化铅钙钛矿中的铅的毒性严重限制了它们的应用。特别是X射线探测器在医疗诊断中有着至关重要的应用，迫切需要减少重金属 Pb 对环境和生物体可能造成的危害。无铅钙钛矿探测器可以作为替代品，但其性能需要进一步提高。此外，通过开发有效的防止铅泄漏的封装技术，有可能解决这个问题。
文献链接
Recent Progress on Wavelength-Selective Perovskite Photodetectors for Image Sensing
https://doi.org/10.1002/smtd.202201499
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