吉林大学:硅探测器在紫外波段的量子效率超过70%。

作为器件中最常用的基本元件，硅光电探测器(PDs)因其宽带光谱响应、超高响应度和低成本制造工艺而广泛应用于光电器件中。然而，受高反射系数和紫外辐射浅穿透深度的限制，Si PDs对紫外(UV)光(200？在300 nm范围内，外量子效率接近0%)。尽管许多研究人员已经探索了各种改进策略，但是要获得与可见光到近红外波段的响应相当的高性能仍然是一个巨大的挑战。

近日，吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室宋宏伟教授(通讯员)研究组报道，采用高温热注入法合成了三种元素(Cr3+，Yb3+，Ce3+)掺杂的CsPbCl3钙钛矿量子点(PeQDs)，并涂覆在Si表面，实现了在紫外波段和可见近红外波段的高性能响应。相关论文名为“外量子效率超过70%的超高效量子切割Cr3+，Ce3+，Yb3+三重掺杂钙钛矿量子点用于高增强硅光探测器的紫外响应”发表在Nano Energy上。

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/science/article/pii/s 2211285520308557

结果表明，当Cr3+掺杂浓度为8.2%时，CsPbCl3的量子产率从8%提高到82%，并且表现出良好的稳定性。静置250天后，掺杂后的PL强度基本保持不变。然而，未掺杂的PeQDs的PL强度在五天后下降了52%。这一特性主要来源于:(1)掺杂后缺陷态密度大大降低；(2)通过DFT计算，掺杂前的主要缺陷Cl空位在掺杂后消失。

图1。晶体结构；(b)掺杂前后的TEM图像；(c)晶面间距的变化和(d)掺杂前后d)XRD衍射峰的变化；(e)掺杂后的XPS图像。

图二。(a)吸收图像，(b)PL图像和(c)量子产率随不同Cr3+掺杂量的变化；(d)未掺杂和Cr3+-8.2%掺杂之间的长期PL强度比较；(e)具有不同Cr3+掺杂量的缺陷密度和荧光寿命的比较；(f)掺杂前后缺陷水平的计算结果。

图3(a)中的吸收光谱表明，在加入稀土离子Ce3+后，紫外波段，特别是深紫外波段的吸收大大增强。这主要是由于Ce3+离子的5d高能态。量子产率的提高是由于Ce3+的发射能级在PeQDs和Yb3+离子之间提供了带隙匹配通道，这大大提高了Yb3+离子的量子剪裁量子产率，达到175%。在Si表面制备了三离子掺杂的CsPbCl3: Cr3+，Yb3+和Ce3+量子点，并在200？在400 nm范围内超过70%的外量子效率相当于在可见光和近红外波段。(量子削波是指荧光材料每吸收一个高能光子，就会释放两个低能光子的物理现象，其理论量子产率为200%。)

图3。单元素、双元素和三元素掺杂的光学表征和能带解释。

图4。(a)全光谱照明下SiPDs和量子修整PeQDs集成器件的示意图。(b)在240纳米、360纳米和980纳米的光照下，涂覆有Si PDs、CsPbCl3: Cr3+、Yb3+peqd和涂覆有CsPbCl3: Cr3+、Yb3+peqd的SiPDS的光电流。(c，d)三个器件的响应性和外部量子效率。(e)在360纳米光照下，光电二极管的时间分辨光电流。(f)涂覆CSP BCL3: Cr3+，Yb3+和Ce3+量子点的硅量子点的光电流随时间变化。

总的来说，本研究提出了一种新的策略来提高量子点的量子产率，改善硅量子点在紫外波段响应差的问题。为高量子产率合成其他量子点或纳米晶材料提供了思路。同时，稀土离子Ce3+掺杂在紫外波段的吸收增强策略也有望提升其他紫外光电探测器的性能。(正文:无计划)