基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器及其制备方法、信号接收器

本发明属于光学器件，具体涉及一种具有钙钛矿超构表面和反射层结构的宽带光电探测器。

背景技术：

1、有机-无机杂化钙钛矿具有高吸收系数、长载流子扩散距离和高载流子迁移率等独特优势，一系列基于钙钛矿的纳米光子器件被提出并已在实验上证实。未来光电器件集成化和小型化的发展趋势对器件尺寸及光学活性层的厚度提出了更高的要求，活性层厚度的减小将不可避免地导致吸收的降低以及外量子效率的下降。因此为了优化钙钛矿光电器件的性能，人们提出了各种方案来提高钙钛矿活性层的光吸收。

2、近年来，已有一些工作通过引入低损耗的介质结构来增强钙钛矿活性层的吸收，而钙钛矿本身是具有高折射率的介质材料，将钙钛矿层直接加工成钙钛矿超构表面，将避免引入其他材料带来的兼容性问题，简化介质超构表面的制备流程。目前基于有机-无机杂化钙钛矿的超构表面已被用于探索一些有趣的应用，如高分辨色彩显示、动态显示等。然而，钙钛矿超构表面在光电转换、光通信等方面的应用仍然较少，利用钙钛矿超构表面来增强光吸收并改善器件的光电探测性能，对于实际应用来说是很有意义的。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器(简称“宽带钙钛矿光电探测器”)，该器件具有钙钛矿超构表面和反射层结构，其中钙钛矿超构表面抑制了反射并利用超构表面的米氏共振效应实现宽带光吸收增强，而反射层的引入抑制了透射光，进一步提高钙钛矿活性层的吸收。此外，本发明还提供了上述宽带钙钛矿光电探测器的制备方法及其应用。

2、本发明的具体技术方案包括：

3、本发明的第一方面提供一种基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器，其包括衬底、形成于衬底正面的钙钛矿超构表面、形成于衬底背面的反射层，以及用于收集电流信号的电极结构；所述钙钛矿超构表面具有若干纳米结构单元；所述宽带光电探测器还被构造为：工作波段内的入射光入射至钙钛矿超构表面后，所述纳米结构单元的米氏共振被激发，在所述钙钛矿超构表面内呈现电磁场局域的效果。

4、作为一种优选方案，所述钙钛矿超构表面的整体厚度为100～500纳米；所述反射层的厚度为30～100纳米。

5、作为一种优选方案，所述纳米结构单元包括横截面为圆形、矩形、三角形、多边形的柱状体结构中的至少一种。

6、作为一种优选方案，所述纳米结构单元周期性排布。

7、作为一种优选方案，所述纳米结构单元为周期性排布的纳米圆盘。进一步的，所述钙钛矿超构表面的整体厚度为100～500纳米；所述纳米圆盘的直径为150～400纳米，高度为50～150纳米，周期为350～500纳米。进一步的，纳米结构单元为纳米圆盘时，所述入射光的角度在0～50度范围内。

8、作为一种优选方案，所述钙钛矿超构表面的材料为甲胺碘化铅、甲脒碘化铅、甲胺锡碘、甲胺铅溴碘中的任意一种。

9、作为一种优选方案，所述反射层的材料为金属银、金属铝、或银铝合金。

10、作为一种优选方案，所述电极结构布置在钙钛矿超构表面上且位于纳米结构单元的外侧；所述电极结构采用金属或非金属导电材料制作。

11、作为一种优选方案，所述衬底为石英、氧化铝、云母片、或者机械剥离法制备的云母薄片。

12、上述任意一种基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器的工作波长范围可同时涉及紫外光和可见光波段。

13、本发明的第二方面提供一种信号接收器，其采用本发明第一方面或其任意一种优选方案所述的基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器制作，用于探测波长范围从紫外到可见光的光信号，并将所述光信号转换为光电流。

14、本发明的第二方面提供一种制备方法，用于制备本发明第一方面或其任意一种优选方案所述的基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器，包括：提供一种衬底；在所述衬底的正面生长一层钙钛矿薄膜；通过微纳加工工艺在所述钙钛矿薄膜上制备若干纳米结构单元，形成钙钛矿超构表面；在所述衬底的背面制备反射层；在所述钙钛矿超构表面上制备金属电极。

15、作为一种优选方案，所述钙钛矿薄膜采用低温溶液法、旋涂法或化学气相沉积法生长于衬底表面；和/或，所述微纳加工工艺使用聚焦离子束刻蚀或纳米压印技术实现；和/或，所述反射层采用电子束蒸镀、磁控溅射方式制备。

16、本发明具有以下有益效果：

17、(1)本发明将钙钛矿活性层直接加工成钙钛矿超构表面，与采用金属微纳结构和其他介质结构的钙钛矿器件相比，避免了金属带来的损耗以及材料之间的兼容性问题，简化了器件的制备流程。

18、(2)本发明采用钙钛矿超构表面和金属反射层结构，有效增强了钙钛矿活性层在紫外到可见光波长范围的吸收，实现了宽带的光吸收增强。

19、(3)本发明提出具有钙钛矿超构表面和反射层结构的宽带钙钛矿光电探测器，器件在紫外到可见光波长范围的光电流响应被明显增强。同时宽带钙钛矿光电探测器具有快的响应速度，可以作为信号接收器用于紫外到可见光波长范围的光通信。

技术特征：

1.一种基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器，其特征在于，包括衬底、形成于衬底正面的钙钛矿超构表面、形成于衬底背面的反射层，以及用于收集电流信号的电极结构；所述钙钛矿超构表面具有若干纳米结构单元；所述宽带光电探测器还被构造为：工作波段内的入射光入射至钙钛矿超构表面后，所述纳米结构单元被激发米氏共振，在所述钙钛矿超构表面内呈现电磁场局域的效果。

2.如权利要求1所述的宽带光电探测器，其特征在于，所述纳米结构单元包括横截面为圆形、矩形、三角形、多边形的柱状体结构中的至少一种；所述纳米结构单元周期性排布。

3.如权利要求1所述的宽带光电探测器，其特征在于，所述钙钛矿超构表面的整体厚度为100～500纳米，所述纳米结构单元的高度为50～150纳米；所述反射层的厚度为30～100纳米。

4.如权利要求1所述的宽带光电探测器，其特征在于，所述钙钛矿超构表面的整体厚度为100～500纳米；所述纳米结构单元为周期性排布的纳米圆盘；所述纳米圆盘的直径为150～400纳米，高度为50～150纳米，周期为350～500纳米。

5.如权利要求1所述的宽带光电探测器，其特征在于，所述钙钛矿超构表面的材料为甲胺碘化铅、甲脒碘化铅、甲胺锡碘、甲胺铅溴碘中的任意一种。

6.如权利要求1所述的宽带光电探测器，其特征在于，所述反射层的材料为金属银、金属铝、或银铝合金。

7.如权利要求1所述的宽带光电探测器，其特征在于，所述电极结构布置在钙钛矿超构表面上且位于纳米结构单元的外侧；所述电极结构采用金属或非金属导电材料制作；所述衬底为石英、氧化铝、云母片、或者机械剥离法制备的云母薄片。

8.如权利要求1至7任意一项所述的宽带光电探测器，其特征在于，所述工作波长范围同时涉及紫外光和可见光波段。

9.一种信号接收器，其特征在于，采用如权利要求1至8任意一项所述的基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器制作，用于探测波长范围从紫外到可见光的光信号，并将所述光信号转换为光电流。

10.一种制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至8任意一项所述的基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器，包括：

技术总结
本发明提出一种基于钙钛矿超构表面的宽带光电探测器，具有钙钛矿超构表面和反射层结构，其中钙钛矿超构表面抑制了反射并利用超构表面的米氏共振效应实现宽带光吸收增强，而反射层的引入抑制了透射光，进一步提高钙钛矿活性层的吸收。该宽带光电探测器在紫外至可见光波段的光电响应比起钙钛矿薄膜被明显增强，且对紫外和可见光波长的入射光信号具有很快的响应速度。将上述宽带光电探测器作为信号接收器可以用于紫外到可见光波长范围的光通信。进一步本发明还公开采用上述宽带光电探测器制作的制备方法。

技术研发人员：彭茹雯,王牧,何捷,李成尧,范仁浩,祁冬祥,蔡箐
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21