近日，西北工業(yè)大學柔性電子研究院（IFE）、柔性電子材料與器件工業(yè)和信息化部重點實驗室黃維院士與瑞典林雪平大學Feng Gao教授、深圳大學Wenjing Zhang教授合作，在國際頂級期刊《自然?電子學》（Nature Electronics）發(fā)表鈣鈦礦光電子領域重大進展“利用相同的兩個鈣鈦礦二極管實現(xiàn)雙向光信號傳輸”(Bidirectional optical signal transmission between two identical devices using perovskite diodes)。
雙向的光信號傳輸通常需要兩邊各一組信號接收器與信號放射器。若將夠將信號接收與發(fā)射功能集成到同一個器件上，可以有助于實現(xiàn)集成器件的小型化或更高密度的器件集成，降低成本，這一策略在傳統(tǒng)III-V族半導體器件中得到了廣泛的實施與應用。然而，對于溶液法加工的有機和量子點半導體而言，由于受到材料特性的限制始終難以實現(xiàn)。
鉛鹵化物鈣鈦礦是近些年來迅速發(fā)展起來的一類廉價且光電性能良好的半導體材料，并已經(jīng)在發(fā)光二極管（LED）與光電探測器等領域展示出了不俗的性能。此外，鈣鈦礦材料具有非常小的斯托克斯位移，使得它們能夠對自己發(fā)出的光進行響應。這些優(yōu)良的性質滿足了通過單一雙功能（光發(fā)射/光檢測）器件實現(xiàn)雙向信號傳輸?shù)那疤釛l件。然而即便如此，制備同時具有高性能光發(fā)射與光響應的鈣鈦礦二極管器件依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
針對這一科學難題，近日，西北工業(yè)大學柔性電子研究院（IFE）黃維院士與瑞典林雪平大學Feng Gao教授、深圳大學Wenjing Zhang教授聯(lián)合報道了一種新型的雙功能鈣鈦礦器件，其同時具備了目前為止鈣鈦礦領域最高效的發(fā)光性能 （發(fā)光外量子效率21%）與最靈敏的光檢測性能 （檢測限達到皮瓦級以下）。該器件可以通過調節(jié)偏壓，實現(xiàn)兩種功能的自由切換，此外，無論是作為發(fā)光還是光檢測，該器件的響應速度都達到了兆赫茲（MHz）級別。基于這一兼具高性能與高響應速度的二極管器件，研究小組通過兩個相同的器件實現(xiàn)了雙向的信號傳輸功能，并驗證了它們在實時脈搏監(jiān)測的應用。
黃維院士指出，IFE與IAM團隊作為國際上鈣鈦礦發(fā)光領域的開拓者之一，長期致力于鈣鈦礦發(fā)光材料的開發(fā)、機理的研究與新應用的探索。該工作得益于課題組前期在高效鈣鈦礦發(fā)光器件制備中的經(jīng)驗積累，包括“鈣鈦礦維度調控實現(xiàn)高效發(fā)光”(Nat. Photon. 2016, 10, 699)、“亞微米結構實現(xiàn)高效光提取” (Nature 2018, 562, 249)以及“高性能鈣鈦礦發(fā)光二極管的理性分子鈍化” (Nat. Photon. 2019, 13, 418)等。此項研究成果再次拓展了鈣鈦礦材料在光電子領域的新應用。
以上研究工作得到了國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委員會等的資助。
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