超高弯折性能与超快响应速度的柔性量子点光电探测器

     第一作者单位：邓玉豪，比利时根特大学

通讯作者和单位：邓玉豪 博士，根特大学；Zeger Hens 教授，根特大学

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c21940

关键词

柔性光电子；弯曲稳定性；胶体量子点；光电探测器；短波红外

全文导读

1. 本工作通过降低柔性器件中量子点活性层的厚度，降低了弯折时的应力，从而实现了十万次弯折EQE无明显衰减的超高性能。

2. 本工作通过设计结构引入法布里-珀罗腔, 解决了超薄吸收层对光吸收弱的问题, 在柔性器件上实现了3.4倍的吸收增强，使得超薄器件仍然可以具备较高的EQE性能。

3. 本工作优化了柔性超薄器件的制备工艺,制备了高性能超薄量子点光电器件，解决了传统配体交换法的不足，最后得到1700整流比，97%的载流子提取效率的光电二极管。

4. 最后本工作对柔性器件上载流子传输时间与RC延迟的平衡, 优化器件厚度与面积，得到创纪录的20 ns 响应时间,成为柔性领域最快的量子点探测器。

背景介绍

柔性光电子器件（如柔性太阳能电池、柔性探测器和柔性成像仪）在可穿戴设备、电子皮肤以及机器人与生物工程等领域发挥着重要作用。胶体量子点因其可调控带隙、溶液可加工性、易于集成且成本低廉的优势，已成为柔性光电器件的很富有潜力的材料。然而，在柔性器件的弯折过程中，量子点活性层会承受应力，可能导致结构破坏和器件性能衰减，因此提升弯曲稳定性始终是研究的核心方向。以往的研究主要通过增强层间粘附力或引入聚合物来改善量子点柔性器件的弯折耐受性，但目前柔性量子点光电器件的性能仍停留在万次弯折的水平，远未满足柔性电子领域日益增长的应用需求。

全文速览

近日，比利时根特大学的邓玉豪博士（第一作者兼通讯作者）等人取得重要进展，发现通过减小量子点活性层的厚度，可以有效降低弯曲过程中产生的应力，同时减少活性层制备过程中裂缝缺陷的形成，从而显著提升量子点柔性器件的弯折稳定性。基于这一发现，研究团队克服了柔性衬底上集成超薄器件的多重技术挑战，实现了十万次弯折后无明显性能衰减的突破性成果。此外，受益于超薄结构的优势，光生载流子的迁移时间大幅缩短，使柔性光电探测器实现了创纪录的20纳秒响应时间和97%的载流子提取效率，进一步推动了柔性光电子器件的发展。这一研究成果以 “Super Bending-Stable Flexible Colloidal QD Photodetector with Fast Response and Near-Unity Carrier Extraction Efficiency”为题在国际顶级期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表，为胶体量子点在超高弯折稳定和超快的柔性光电子器件领域的应用提供了重要参考。

图文导读

图 1 展示了作者通过优化传统配体交换工艺，克服超薄结构制备中的挑战，成功构建了高性能超薄光电二极管。传统方法在制备超薄活性层时往往导致整流比较低，而改进后的工艺使器件的整流比提升至 1700，形成高质量的 PN 结，从而实现了高效且高速的载流子提取。

图2为器件的结构示意图和性能表征图。在量子点的中心波长处1330 nm，作者制备的超薄柔性器件取得了27%的EQE，以及2.1 × 10^11的Detectivity比探测率。另外通过对器件直径的优化去抑制电容延迟效应，器件取得了20纳秒的响应速度，这是量子点柔性器件中最快的速度。

图3为作者通过吸收增强结构设计，利用法布里-珀罗腔在柔性超薄结构的基础上将量子点层对光的吸收增强了3.4倍，实现了高达97%的载流子提取效率。作者还做了对比实验，在较厚的器件中，载流子提取效率逐渐降低。

图4为柔性器件弯折性能的表征，在经过十万次弯曲之后，超薄器件的EQE没有明显衰减，但是较厚的器件都出现了明显性能衰减。作者还有扫描电子显微镜SEM，发现超薄器件弯曲之后表面没有裂纹，而较厚器件都产生了裂纹。十万次的弯折性能创造了柔性胶体量子点光电器件领域的世界纪录。

总结展望

在本研究中，作者通过深入解析弯曲过程中应力产生的机理，提出了一种全新的设计思路：通过减小活性层厚度，构建超薄光电探测器。这一策略成功实现了创纪录的十万次弯曲稳定性，同时探测器的响应速度达20纳秒，载流子提取效率更是达到97%的近极限水平。此外，在超薄器件的制备过程中，针对配体交换溶液渗透引发的掺杂变化问题，本研究引入渐变交换方法，有效解决了这一挑战。本工作突破了柔性光电探测器在超高弯曲稳定性和超快响应速度方面的技术瓶颈，为高性能柔性光电子器件的发展提供了新的思路和重要参考。

作者介绍

Super Bending-Stable Flexible Colloidal QD Photodetector with Fast Response and Near-Unity Carrier Extraction Efficiency

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c21940

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