复旦《Nano Letter》：首次报道一种高性能紫外光探测器！

编辑推荐：本文首次报道了二维(2D)钙钛矿型Ca2Nb3O10紫外光电探测器，它是通过简单的煅烧-剥离法制备的。该方法为基于大量层状铌酸盐寻找新的紫外PDs提供了一般策略。Ca2Nb3O10纳米片可能是下一代高性能紫外光电探测器的最佳半导体材料之一。

紫外光电探测器(UV PDs)在空间探索、生物分析、环境传感器、通信和成像等许多领域一直受到广泛关注。理想的紫外光电探测器通常希望具有高灵敏度、高探测率、快速响应速度、高光谱选择性、高稳定性。Ca₂Nb₃O₁₀纳米片已被证明是具有广泛应用的优异材料。然而到目前为止，还没有关于Ca₂Nb₃O₁₀纳米片的光电检测应用的报道。因此，探索一种基于Ca₂Nb₃O₁₀纳米片的高效光电探测技术具有重要意义。

复旦大学方晓生等提出可以将2D Ca₂Nb₃O₁₀纳米片简单地通过固态反应、离子交换和剥离工艺来制备，并应用于光电检测。相关论文以题为“High-Performance Two-Dimensional Perovskite Ca₂Nb₃O₁₀ UV Photodetectors”发表在Nano Letter上。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03759

研究结果表明，Ca₂Nb₃O₁₀纳米片薄膜PD在280 nm 3V下表现出高性能、高响应度(14.94A·W ^-1)、高检测率(8.7×1013琼斯)、高光谱选择性(R_{280 nm} /R_{400 nm} = 8.84 × 10³)、快速(0.08/5.6 ms)和长期稳定性，使其能够满足理想紫外PD的基本要求。2D Ca₂Nb₃O₁₀可能是下一代高性能紫外光电探测器的最佳候选材料之一，该工作为其在光电技术和信息产业中的广泛应用铺平了道路。

如图1a所示，通过简单的固相烧结、离子交换和剥离方法制备Ca₂Nb₃O₁₀纳米片。产品每个步骤的扫描电子显微镜(SEM)图像显示在图1b-d中。第一步是通过固态煅烧制备K₂CN₃O₁₀(KCNO)样品。KCNO晶体结晶良好，大矩形颗粒的长度可达10微米(图1b)。

图1 Ca₂Nb₃O₁₀纳米片的形貌。(a)CNO纳米片制备过程示意图。煅烧后的KCNO样品(b)、离子交换后的HCNO样品(c)和剥离后的CNO纳米片(d)的扫描电镜图像。(e)CNO纳米片的扫描电镜图像。(f)CNO纳米片和插页的原AFM图像显示了高度分布。(g)去离子水中钙铌酸锂纳米片的照片。

利用x光衍射技术(XRD)揭示了固态煅烧和离子交换后产物的相结构。注意，对剥离的CNO纳米片进行掠入射x光衍射(GIXRD)图案。如图2a-c所示，样品的晶相在制备过程中发生了显著变化。对于煅烧后的样品，5.8©b、12.0©b、23. ©b1、29.4©b、31.3©b和32.9©b处的强峰与KCa₂Nb₃O₁₀(JCPDS 35-1294)的(001)、(004)、(200)、(206)、(207)和(221)平面匹配良好(图2a)。

图2 CNO纳米片的结构和性能。(a−c)煅烧、离子交换和剥离后样品的XRD图案。(d，e)CNO纳米片的HRTEM图像(d)和SAED图案(e)。获得的KCNO、HCNO和CNO纳米片的紫外-可见吸收图(f)和Tauc图(g)。

图3 CNO纳米片薄膜的光电探测性能。(a)不同入射功率密度下器件的伏安曲线。(b)器件在300纳米光开关下的伏安曲线。(c)器件的归一化脉冲响应。(d)器件的响应度和探测率。(e)器件在对数坐标中的响应度。(f)不同时间后器件的伏安曲线。

图4 柔性CNO纳米片薄膜在300 nm光照射下的光电探测性能。(a)柔性CNO @PET PD单弯曲循环照片。(b，c)各种弯曲循环后局部放电的伏安曲线(b)和伏安曲线(c)。(d)局部放电的线性动态范围频谱。

总的来说，研究人员通过简单的煅烧-剥离工艺制备了2D钙钛矿 Ca₂Nb₃O₁₀纳米片。Ca₂Nb₃O₁₀纳米片薄膜光电探测器在3V 280纳米光照射下表现出高性能，包括高响应度、高探测率、快速、优异的光谱选择性和高稳定性，优于大多数报道的紫外PDs。该方法为Ca₂Nb₃O₁₀在光电技术和信息产业中的广泛应用铺平了道路。（文：8 Mile）