《等离子体增强型CsPbBr3晶体光电探测器：角度依赖的光耦合与波导激发》的重印版

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：Reprint of “Plasmon-enhanced CsPbBr3 crystal photodetectors: Angle-dependent light coupling and waveguided excitation”

摘要CsPbBr3晶体与金纳米颗粒（Au NPs）的整合通过表面等离子体共振（LSPR）显著提升光吸收效率，并验证了角度依赖光耦合效应对波导光传播的增强作用，为开发响应度高、稳定性强且无需光学滤片的柔性微型光探测器提供新策略。

　　

Zar Ni Thein Htay|Waleed S. Mohammed|Muhammad Abdul Rahman|Shu-Han Hsu

泰国塔玛萨特大学Sirindhorn国际理工学院综合科学与创新学院，Pathum Thani 12121

摘要

背景

钙钛矿晶体（PeNCs）因其优异的光电性能而备受关注，成为光探测器的理想候选材料。然而，其实际应用受到光电流生成效率和稳定性的限制。为了解决这些问题，将钙钛矿材料与等离子体纳米颗粒（如金纳米颗粒（Au NPs）结合是一种可行的策略，可以通过局域表面等离子体共振（LSPR）效应增强光吸收。此外，传统光探测器通常需要光学滤波器来减少背景干扰，这增加了复杂性并限制了微型化的发展。本研究探讨了CsPbBr?–Au NP杂化结构通过等离子体增强和角度依赖性光耦合来提高光探测性能的潜力。

方法

采用逐步制备方法将CsPbBr?晶体与Au NPs结合，优化其空间分布以增强等离子体耦合。在激光照射下从不同角度测试了所得纳米复合材料，以评估其支持波导光传播的能力。进一步对其光学和电学性能进行了表征，包括光电流生成、光谱响应和角度依赖性性能。进行了关键测量，如UV–Vis吸收光谱、光致发光（PL）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和电流-电压（I-V）分析，以评估增强机制。

重要发现

Au NPs与CsPbBr?晶体的结合由于LSPR效应显著增强了光电流生成，从而显著提高了响应度。角度依赖性研究表明，通过Au NPs与CsPbBr?系统的结合实现了高效的侧向激发。结果证实了定向光耦合的可行性，这对开发灵活和微型化的光探测器具有潜在意义。这些发现突显了CsPbBr?–Au NP杂化结构在推动高性能、紧凑和环保光探测技术方面的有效性。

引言

光探测器在各种光电子应用中发挥着关键作用，包括环境监测、光通信和生物分析。传统光探测器通常依赖于垂直结构设计，这需要使用光学滤波器来减少背景干扰。然而，这些滤波器增加了复杂性，提高了制造成本，并限制了微型化。为了解决这些问题，研究人员探索了利用波导光传播来提高效率并消除对光学滤波器需求的侧向光探测器[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。

钙钛矿属于ABO₃⁹公式的混合氧化物类晶体。其中，CsPbX₃钙钛矿（包括CsPbBr?）由于其卓越的光电性能（如直接带隙、高吸收系数、长载流子扩散长度和低缺陷密度）而成为光探测器应用中的极具前景的材料[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。这些性能使得电荷载流子的生成和传输更加高效，从而实现高响应度和快速光响应。此外，全无机CsPbBr?具有优异的环境稳定性，比混合有机-无机钙钛矿更适于实际应用。其可调的光学性能进一步允许进行波长特定的光检测，这对于光通信、成像和环境监测等应用至关重要[[18]]。然而，尽管具有这些优势，CsPbBr?钙钛矿仍存在某些限制，阻碍了其在光探测器中的广泛应用。主要挑战之一是由于光吸收和电荷载流子提取不足而导致的光电流生成效率较低[[19]]。此外，钙钛矿材料在长时间暴露于湿气、氧气和高强度光照下容易发生离子迁移和降解，导致设备稳定性和性能随时间下降[[20,21]]。此外，依赖传统的垂直激发方法通常需要使用光学滤波器来减少背景噪声，增加了复杂性并增加了设备尺寸。

为了解决这些瓶颈，新兴方法越来越多地整合数据驱动和界面聚焦策略。与实验创新并行，机器学习（ML）和人工智能（AI）在材料科学中的应用日益增多，以加速发现和优化[[22]]。这些工具能够预测材料-性能关系，指导合成条件，并提出节能的催化策略，如异质、酶促、光催化、微波或机械化学过程。通过将ML/AI方法与可持续化学概念相结合，研究人员不仅可以解决稳定性和性能瓶颈，还可以设计符合绿色化学原则的环保光探测器[[23], [24], [25]]。同时，异质结构和协调驱动的界面工程已被报道可以抑制离子迁移并稳定钙钛矿结，为长期稳健性提供了补充见解[[26]]。这些进展表明，将预测性ML模型与合理的界面设计相结合可以为高稳定性、无滤波器的光探测器奠定基础[[27,28]]。

为了解决这些挑战，将金纳米颗粒（Au NPs）与CsPbBr?晶体结合是一种非常有效的解决方案。例如，研究表明，将钙钛矿晶体（PeNCs）与等离子体纳米颗粒（如金（Au）和银（Ag）结合可以通过局域表面等离子体共振（LSPR）效应增强光-物质相互作用[[29], [30], [31], [32], [33]]，从而通过放大钙钛矿界面的局部电场显著增强光吸收。这种等离子体效应可以显著提高光伏工具的光电流生成[[8,21,[34], [35], [36]]。

目前将Au纳米颗粒（Au NPs）与CsPbBr?钙钛矿结合的方法主要依赖于直接混合，其中Au NPs分散在钙钛矿基质中[[31,33]]。虽然这种方法通过局域表面等离子体共振（LSPR）增强了光吸收，但往往会导致Au NPs的不受控制聚集，降低均匀性并限制了等离子体增强的效果[[38]]。此外，随机分散可能会引入缺陷和非均匀的电荷载流子路径，对光电流生成和设备稳定性产生负面影响。为了克服这些限制，我们提出了一种逐步沉积方法，其中Au NPs和CsPbBr?晶体依次分层，以优化光-物质相互作用和电荷传输（图1）。这种结构化方法确保了Au NPs的更好空间分布，从而实现更有效的等离子体耦合、增强的光吸收和更好的载流子提取。此外，逐步方法有助于实现可控的侧向激发，从而开发出更紧凑、无滤波器的光探测器，具有更高的性能和更大的设计灵活性，适用于下一代光电子应用[[39], [40], [41], [42], [43], [44], [45]]。

化学物质

如溴化铅（PbBr₂）（99.99%）、溴化铯（CsBr）（99.9%）、二甲基甲酰胺（DMF）（99.9%）、油酸（OA）（99.9%）、油胺（OAm）（98.27%）和甲苯（99%）等化学品购自Italmar Thailand Co.Ltd。金指电极是通过在国家科学技术发展机构的帮助下，先溅射30纳米厚的Cr作为粘附层，然后溅射80纳米厚的Au制成的。金纳米颗粒也购自Italmar Thailand Co.; Ltd.

CsPbBr₃晶体的合成

CsPbBr₃晶体和Au NPs的材料表征

为了全面分析合成纳米材料的结构、光学和形态特性，采用了多种表征技术。使用UV–Vis吸收光谱和光致发光（PL）测量研究了CsPbBr3钙钛矿晶体（NCs）和金纳米颗粒（Au NPs）的光学性能，以评估它们的光吸收和发射特性。图2(a)的结果显示，晶体具有明显的光致发光特性

结论

传统光探测器通常是为垂直照明设计的，通常需要光学滤波器来提高选择性。然而，通过引入CsPbBr?晶体等纳米材料，可以开发出无需滤波器的光探测器，这些探测器能够在波导激发下高效工作。CsPbBr3 NCs不仅在正常入射下，而且从侧向角度也能被激发的能力，突显了它们作为灵活和非传统光探测器的潜力

资助

本工作得到了2026财年泰国科学研究与创新基金的支持。Htay Z.N.T感谢塔玛萨特大学Sirindhorn国际理工学院（SIIT）提供的TAIST-Tokyo Tech奖学金。塔玛萨特大学的功能先进材料工程卓越中心为主要作者和通讯作者提供了帮助。

CRediT作者贡献声明

Zar Ni Thein Htay：撰写——原始草稿，数据管理。Waleed S. Mohammed：监督，软件开发，实验研究。Muhammad Abdul Rahman：数据管理，方法论。Shu-Han Hsu：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念构思。