近红外光电探测(780 - 1800 nm)在安全监控、材料识别、机器视觉和生物医学成像等领域具有广阔的应用前景。然而，传统的硅基、铟镓砷和锗基光电探测器存在制备工艺复杂、成本高昂等问题。锡铅二元钙钛矿因其较窄的带隙(1.5 - 1.17 eV)，能够实现对近红外光的高效探测，且具有较高的光吸收系数。但锡铅钙钛矿存在氧化倾向强、缺陷密度高、稳定性差等问题，限制了其在光电探测领域的应用。因此，开发一种能够有效抑制氧化、减少缺陷并提升稳定性的锡铅钙钛矿光电探测器具有重要意义。
据麦姆斯咨询报道，近日，香港大学和电子科技大学的研究团队针对锡铅钙钛矿在光电探测应用中存在的氧化和缺陷问题，提出了一种基于天然还原剂咖啡酸(CGA)的三系统互锁顶包覆结构。通过在锡铅钙钛矿表面形成稳定的CGA - SnF₂ - 钙钛矿复合结构，显著提升了钙钛矿的抗氧化能力、缺陷抑制和钝化效果，实现了高效率、高稳定性的近红外光电探测。这项研究不仅为锡铅钙钛矿光电探测器的性能优化提供了新思路，也为高性能光电探测器的设计和应用奠定了基础。这项研究以“Tri-System Interlocking Top-Encased Structures Enabled Highly Stable Tin-Lead Perovskite Photodetection Arrays”为题发表在Advanced Materials期刊上。
为了提高锡铅钙钛矿的抗氧化能力，研究人员引入了包括CGA、CA和奎宁酸(QA)三种酸，测试了其结构及还原能力，相关结果如图1所示。接着，研究人员首先使用密度泛函理论计算，来揭示了CGA与锡铅钙钛矿及SnF₂之间形成的独特三系统互锁结构及其稳定性，相关结果如图2所示。
图1 CGA、CA和QA分子结构及其还原能力
图2 CGA与锡铅钙钛矿及SnF₂之间形成的独特三系统互锁结构及其稳定性
研究人员通过实验研究了CGA对锡铅钙钛矿的影响，其中将具有碱性SnF₂和最佳CGA添加剂的钙钛矿命名为目标膜。研究人员通过SEM和TOF - SIMS等技术，展示了CGA添加剂对锡铅钙钛矿薄膜形貌和元素分布的影响，证实了顶包覆保护层的形成，相关结果如图3所示。
图3 CGA添加剂对锡铅钙钛矿薄膜形貌和元素分布的影响
最后，研究人员对该光电探测器的比探测率、线性动态范围、响应速度和稳定性进行了详细测试。研究人员将钙钛矿光电二极管与薄膜晶体管(TFT)集成为图像传感器(如图4g-图4i)，并且测试了基于该探测器的图像传感器的成像性能，相关结果如图4j所示。
图4 锡铅钙钛矿光电探测器的光电性能以及基于该探测器的图像传感器的成像应用
综上所述，这项研究通过引入天然还原剂CGA构建三系统互锁顶包覆结构，巧妙地解决了锡铅钙钛矿光电探测器中氧化和缺陷问题，实现了高性能的近红外光电探测器。该研究创新性地利用天然小分子添加剂实现材料性能的调控，为钙钛矿材料的改性提供了新思路;并通过理论计算与实验相结合，深入揭示了CGA与钙钛矿之间的相互作用机制，为后续研究提供了理论依据。此外，该研究还可以进一步改进，例如探索CGA添加剂在不同环境条件下的稳定性，以及研究其在其他钙钛矿体系中的普适性，从而拓展该方法的应用范围。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202502191
