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钙钛矿基二极管,能够同时发光和检测

     光源和检测器是当今市场上无数技术设备的关键组件。例如,发光二极管(LED)通常用作显示器和其他技术中的光源,而光电二极管则用于检测传感器、成像和光纤通信工具中的光。现有的光源和检测器包括功能明显不同的两种不同类型的设备。然而,开发一种既可以产生光又可以检测光的设备,就可以设计出更小巧、更智能的技术。瑞典林雪平大学,深圳大学和中国其他几所大学的研究人员最近制造了一种能够发射和检测光的高效二极管。高效二极管的研究情况发表在《Nature Electronics》上,是采用固溶钙钛矿材料制成的。该研究的主要研究人员Feng Gao说:“如果我们有一个能够有效发射和检测光的双功能设备,我们就可以使用一个设备来完成通常需要两个常规设备的工作。这不仅可以减少设备成本,而且还可以促进光源和检测器在光电芯片中的集成。”
      在之前进行的一项研究中,Gao和他的同事们发现了钙钛矿薄膜中一种被称为“钝化效应”的机制,而钙钛矿薄膜是用于制造LED的新兴材料。然后,他们设计了一种高效的钝化剂(即一种可以修复半导体缺陷的物质),并用它来将近红外钙钛矿LED的量子效率提高到21%以上。进行这项研究的研究人员之一Chunxiong Bao表示:“基于之前的工作,我们进一步研究了这些设备的光检测功能,发现它们还显示出了卓越的光电检测性能。在最近的研究中,我们集中精力同时提高了钙钛矿基二极管的发光和检测性能,证明了它们作为高效发光和检测“二合一”设备的可行性。”Gao,Bao及其同事用来制造二极管的钙钛矿材料具有几种独特的光电性能。除了对于开发高性能LED而言是理想的高光致发光量子效率(PLQE)之外,该材料还具有高吸收系数,可以进行光检测。该材料还表现出高的载流子迁移率,因此可用于制造各种厚度的薄膜。最后,研究人员观察到钙钛矿的吸收光谱和光致发光光谱之间存在很大的重叠。这意味着该材料还可以吸收其自身发出的光。综合所有这些特性,可以基于相同的平面结构创建高性能的LED和光电检测器。
 
      换句话说,这些特性最终使Gao,Bao和他们的同事创造了一个既可以发射光又可以检测光的设备。他们开发的二极管以超过21%的外部量子效率和亚皮瓦级的光检测极限实现了发光。在发射和检测光时,它还可以达到数十兆赫兹的运行速度,在每种功能上都表现的非常出色。此外,当将其用作检测器时,该设备还对自身发出的光敏感。“对于传统的溶液处理半导体来说,将其用作高性能双功能器件非常具有挑战性,” Bao解释说。“以有机半导体和胶体量子点为例。有机半导体在吸收光谱和光致发光光谱之间始终表现出非常小的重叠,因此它们对同一材料发出的光表现出一周的吸收,而胶体量子点LED始终基于非常薄的量子点膜由于极低的载流子传输特性,因此其光吸收非常弱。”研究人员是最早引入钙钛矿基二极管的人之一,该二极管可以同时用作发光和光检测装置,在这些功能之间进行切换,同时在这两种功能中均表现出色。他们开发的设备可以用于制造更小的电子设备,既可以用作光源也可以用作检测器。Gao,Bao和其同事在论文中概述了该二极管的两种可能的应用,展示了如何将其用于构建整体式心脏脉冲传感器以及双向光通信。
 
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