原标题：美国北卡州立大学顾青团队AOM：基于纳米压印技术和叉指电极实现具有纳米光栅的高性能钙钛矿光探测器

创新点：团队和合作者利用纳米压印技术提升钛矿薄膜形态学和构建图形，并应用在具有叉指电极的基底上，完成高性能的金属-半导体-金属（MSM）光探测器制备。该纳米压印方法可用于多种卤化物钙钛矿，同时拥有易于使用和可靠的优点，为实现基于钙钛矿平台的光电集成电路提供一条新的途径。

关键词：钙钛矿，纳米压印，纳米光栅，叉指电极，光探测器

近十年来，由于钙钛矿材料具有优秀的光电特性，简易的制备过程，和可调节的能带等特征，使其在很多研究领域备受关注。其中，微型光探测器是现代集成芯片中重要的组成部分，可用于光通信，环境感知，和数字图像系统等。因此，基于钙钛矿的光探测器研究有望实现器件性能的显著提升，并开拓新的市场领域。一般来说，通过对光探测器感光材料本身性质的改善或是形态的构造，可以实现性能的提升。但由于钙钛矿在水和极性溶液环境中表现出的不稳定性，依靠光刻胶和显影溶液的传统制作工艺很难应用在其器件制备过程中。因此，利用旋涂技术得到钙钛矿薄膜，或是在具有图形结构的基底上合成/生长钙钛矿材料是制作钙钛矿光探测器的主要方法。这种半导体工艺流程被分类为由底部构建方式，得到的光探测器会依赖钙钛矿材料本身的特性，并受困于尺寸控制的不精确性和较差的重复性。近年来，随着一些自上而下的工艺方法被研究，钙钛矿光探测器的结构制备逐步得到提升。其中，纳米压印技术（Nanoimprint lithography）在钙钛矿结构的制作中，具有加工步骤简单，并能够提高钙钛矿的材料性能的特点，相较于其他工艺流程有显著的优势。

北卡罗莱纳州立大学顾青团队和合作者利用纳米压印技术和钙钛矿适配的特性，在钙钛矿（MAPbI3） 薄膜上构筑了纳米光栅，并通过叉指结构电极提升了其MSM光探测器的整体表现性能。相关研究结果发表在Advanced Optical Materials上。

图1 通过纳米压印技术，纳米光栅钙钛矿光探测器的响应度，灵敏度，和反应速度均得到显著提升。

实验技术上，纳米压印过程改善了钙钛矿材料的结晶度，相较于初始的薄膜也减小了其缺陷密度。因此，材料本身对吸收光谱的吸收和光致发光都得到相应提升。同时，纳米压印构造了纳米光栅结构，使得更多的入射光聚集在光栅结构中；而这一现象不会出现在平面薄膜中。电极材料选择方面，氧化铟锡（ITO）的使用极大程度减小了在纳米压印过程中由温度和压力升高引起的钙钛矿的不稳定性。除了对钙钛矿材料的表征，光感测器测试数据也表明压印后器件的光电流，响应度，灵敏度，和反应速度得到显著提升（如图1）。器件上，叉指结构电极的使用可以提高光探测器功率转换效率并且调节载流子传输时间，从而进一步影响性能。该团队利用光刻技术在玻璃基底上制作了ITO叉指电极，相较于通过投影掩膜沉积的金属电极，此方法可以极大减小电极指间间距和精确控制电极尺寸。在减小的指间距情况下，载流子在电极间的传输时间缩短，场强增大，光电流的产生效率提高，使得器件性能再次提升。值得一提的是，因为光栅结构的方向正交于叉指电极，所以反应速度的提升也得益于载流子的传输方向与光栅方向的相同。除此之外，将经过纳米压印的钙钛矿光探测器放置在空气中20天后，依然维持了95%的性能表现。此项工作展示了NIL对钙钛矿材料的适用性，同理可以应用于PIN结构的光探测器，从而向实现易于制造的可靠高性能光探测器更近一步。

WILEY

论文信息：

High-Performance Directly Patterned Nanograting Perovskite Photodetector with Interdigitated Electrodes

Dayang Lin, Jinbo Liu, Ross Haroldson, Jiyoung Moon, Zhitong Li, Anvar Zakhidov, Wenchuang Hu, Qing Gu*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202201516