A fast response, self-powered and room temperature near infrared-terahertz photodetector based on a MAPbI₃/PEDOT:PSS composite

Abstract

Organic–inorganic halide perovskite with low thermal conductivity, high Seebeck coefficient and high carrier mobility are promising thermoelectric materials for near infrared (NIR) and terahertz (THz) photodetector (PD). Here, we report...

Double‐Side Crystallization Tuning to Achieve over 1 µm Thick and Well‐Aligned Block‐Like Narrow‐Bandgap Perovskites for High‐Efficiency Near‐Infrared Photodetectors

“…Figure S9, Supporting Information, shows that DSCT‐produced Sn–Pb perovskite NIR PDs can achieve a NEP as low as 4.79 × 10 −14 W Hz −1/2 at 940 nm, which is lower than inorganic‐, perovskite/quantum dots‐ and organic semiconductor‐based NIR PDs. [ 55–57 ]…”

Advances in organic thermoelectric materials and devices for smart applications

“…The TE materials have been further developed for use in correlated PTE detectors in terms of the PTE effect at the interface between different materials, such as graphene‐metamaterials, graphene single‐bilayer interface junctions, CNTs electrodes, and phosphorus device with asymmetric metallization 11,12,94,94,95 . Zhang et al 96 demonstrated a sensitive NIR and THz photodetector based on the photoelectric phenomenon that appeared in CH 3 NH 3 PBI 3 (MAPbI 3 ) and PEDOT:PSS hybrid composite with wide absorption range, large light absorption coefficient, and good electrical properties. The device exhibited a stable and repeatable response to 1064 nm and 2.54 THz irradiation at room temperature.…”

Recent progress of terahertz detectors based onphotothermoelectric effect

“…度。2016 年，Deng 等人 [36] 研究了金属-石墨烯条带-金属结构太赫兹光热电响应。当太赫兹光从 器件一端移至另一端时，器件中的光响应呈现反对称分布(图 4a)。当太赫兹照在石墨烯-金属 交界处时，器件两端的温差最大，从而得到最大的光响应(8.4 mV/W)；当太赫兹照在器件中 间时，器件两端温差为零，此时光响应为零。这表明光响应的来源是不对称的热分布，与光热 电原理相符合。然而，单层石墨烯对太赫兹波的吸收较低，与衬底的热交换较大，这制约了探 测器的性能。2019 年，清华大学 Wen 等人 [37] 使用氧化还原法制备了自支撑的石墨烯薄膜，进一 步优化了石墨烯探测器的性能。较厚的石墨烯薄膜和悬空结构提升了材料对太赫兹的吸收并降 低了热损失，进而提高了光热电响应。2020 年，Chen 等人 [38] 使用人工微结构对石墨烯探测器进 压 [36] ；(b)不同尺寸人工微结构对石墨烯太赫兹吸收的增强效果，图中 d 的单位为 μm [38] ； (c)三维石墨烯吸收体增强碳纳米管的光热电响应 [39] (文献授权自 2019 美国化学会)； (d)NbS3 器件的热扩散长度 [23] ；(e)离子液体调控对单壁碳纳米管探测器的性能影响 [21] (文 献授权自 2018 美国化学会)；(f)MAPbI3，PEDOT:PSS 和 MAPbI3/PEDOT:PSS 的太赫兹吸 收谱 [40] Fig. 4 Different types of asymmetric illumination terahertz PTE detectors and optimization methods.…”

“…Copyright 2019 American Chemical Society); (d) The thermal decay length of the NbS3 detector [23] ; (e) The influence of ionic liquid control on the performance of the single-walled carbon nanotube detector (Reprinted with permission from [21] . Copyright 2018 American Chemical Society); (f) THz absorption spectra of MAPbI3, PEDOT:PSS and MAPbI3/PEDOT:PSS [40] 2020 年， Chen 等人 [39] 用类似的方法研究了三维石墨烯的太赫兹光热电响应。相较于单层 石墨烯，三维石墨烯具有更高的光吸收率，提升了光热转化效率，从而非常适合作为太赫兹吸 收体。在三维石墨烯吸收体的增强下，单壁碳纳米管光热电探测器性能提高了一个量级(图 4c)。 应和等离子体波辅助效应 [42,43] 。等离子体波辅助效应是利用材料中的电子受入射电磁场的驱动 产生集体态行为进行太赫兹探测 [44~46] 。在栅压调控下，器件能够呈现以等离子波辅助效应为主 和以光热电效应为主两种不同的工作状态 [47] 。 2012 年，Vicarelli 等人 [48] 提出基于非对称电极结构的器件，在 300 GHz 下具有光热电响应。 2015 年， Viti 等人 [19] 详细分析了黑磷光热电太赫兹探测器中的光热电信号。在栅压调控下，器 件的光响应随黑磷塞贝克系数变化而变化，这证明光电压主要来源于光热电效应。2016 年，他 们 [20] 进一步研究了温度对黑磷太赫兹光热电探测器的影响。随着温度的降低，黑磷中载流子迁 移率提高且热噪声降低，这大幅提高了黑磷探测器性能。 黑磷在空气中很不稳定，会与水和氧气发生反应，影响探测器的稳定性。为了解决这一问 题，一方面可以对黑磷表面进行封装，例如使用氮化硼-黑磷-氮化硼范德瓦尔斯异质结来对黑 磷进行保护 [20] ；另一方面也可以对黑磷进行掺杂。掺有 Te 或 Se 的黑磷具有更好的载流子运输 性能和更好的环境稳定性，并且带隙明显降低(从 2.15 eV 降至 1.9 eV) [49] 。2019 年，Viti 等人 ；(c)探测器性能随硒掺杂黑磷厚度的变化 [50] ；(d)氮化硼-石墨烯-氮化硼器件中形成的 p-n 结 [47] ；(e)氮化硼-石墨烯-氮化硼器件中光热电响应随栅压的变化 [47] ；(f)氮化硼-石墨 烯-氮化硼超快太赫兹探测器 [22] 。(文献授权自 2020 美国化学会) of the device with asymmetric electrodes [19,51] ; (c) The detector performance changes as a function of the flake thickness [50] ; (d) The p-n junction formed in BN-graphene-BN device [47] ; (e) The PTE response changes with the gate voltage in BN-graphene-BN device [47] ; (f) An ultrafast BN-graphene-BN terahertz detector (Reprinted with permission from [22] . Copyright 2020 American Chemical Society).…”

“…o r R e v i e w O n l y 光热电探测器的性能与光敏材料的塞贝克系数和太赫兹吸收率息息相关，因此寻找高吸收 和大塞贝克系数的光敏材料是十分有必要的。Niu 等人[41] 使用 EuBiTe3 晶体作为光敏材料，该晶 体在太赫兹波段下有较高吸收，光吸收率能够达到 20%，同时塞贝克系数为-104 μV/K，具有较 好的热电转换效率，使得该探测器的 D * 达到 6 6.7 10 Jones。当探测器工作在真空下，样品与 空气的热交换减少，探测器的响应度提高了一个量级，这也与光热电理论符合。为了进一步提 升光热电探测性能，Wang 等人 [5] 研究了 EuBiSe3 晶体的光热电性能，其塞贝克系数高达~1000 μV/K。在大气环境下该探测器的 D * 提高到 8 1.2 10  Jones，并且在从紫外到太赫兹的超宽光谱 上均能正常工作(补充材料图 1a)。 除了寻找高吸收和大塞贝克系数的光敏材料以外，减少器件的热损失也可以优化光热电探 测器性能。采用准一维晶体 NbS3 作为光敏材料，Wu 等人 [23] 提出了热局域效应增强的光热电探 测器。得益于材料本身较低的热导和与空气较低的热交换系数，器件沿沟道方向的热扩散长度 λ 仅为~13 μm(图 4d)。太赫兹产生的热量被很好地局域在探测器的一端，这大幅提升了探测 器的响应度(>1 V/W)。正如上文所说，栅控可以调控材料的费米能级，从而调控材料的塞贝克系数，进而提升光热电探测性能。2018 年，Suzuki 等人[21] 用离子液体调控单壁碳纳米管薄膜制备了太赫兹光热电 探测器(补充材料图 1b)，在离子液体形成的电双层作用下，单壁碳纳米管薄膜的电导率、塞 贝克系数和光吸收均得到了优化，探测器的总体性能提高了近两个量级(图 4e)。 在实际中，寻找同时具有高电导、低热导、大塞贝克系数以及高太赫兹吸收率的光敏材料 是相对困难的。因此，研究人员尝试将两种或多种具有不同性质的材料组合从而制备性能优良 的太赫兹光热电探测器。2019 年，Li 等人[40] 制备了钙钛矿(MAPbI3)-PEDOT:PSS(Poly(3,4ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))异质结，钙钛矿具有较低的热导以及较高的光吸 收，PEDOT:PSS 则具有较大的塞贝克系数以及较高的电导率，这两者的结合带来了更好的光热 电性能(图 4f)，MAPbI3/PEDOT:PSS 的塞贝克系数约为 470 μV/K，电导率达到 150 S/m，使 该探测器的 D o r R e v i e w O n l y 科学通报 http://csb.scichina.com Page 11 of 23 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-0730…”