我院张立春、赵风周团队在钙钛矿薄膜材料的真空物理生长机制及其器件应用研究方面取得系列进展

近日，物理与光电工程学院张立春副教授、赵风周副教授团队在全无机铜基钙钛矿薄膜材料的真空物理生长机制及其光电器件应用研究领域取得系列进展，相关结果分别在国际光学领域权威期刊Advanced Optical Materials（一区TOP期刊，IF=9.926）和Optics Letters（二区TOP期刊，IF=3.776）上发表。两篇论文的第一作者分别是物理学专业2018级硕士研究生周啸宇和2019级硕士研究生李潇轩，张立春副教授和赵风周副教授为论文的共同通讯作者，鲁东大学为论文第一署名单位和通讯单位。

近年来，全无机金属卤化物钙钛矿材料由于在太阳能电池、发光二极管、光电探测器等领域中的优异表现而成为半导体材料领域的研究热点。目前，大多数钙钛矿光电器件选用光电转换效率更高的含铅材料体系，但其自身具有的毒性一直是无法避免的难题，难以适应绿色环保的市场应用需求。此外，钙钛矿材料多采用溶液旋涂法制备，制备出的薄膜存在表面粗糙度大、均匀连续性差、易出现孔洞等现象，严重影响了器件的光电转换效率和稳定性。

该团队采用真空热蒸发技术，选用晶格适配度较小的CuI薄膜作为缓冲层，实现了高纯度、高质量CsCu₂I₃薄膜的外延生长。在此基础上，利用CsCu₂I₃薄膜制备了MSM(金属-半导体-金属)型紫外探测器。该器件实现了对340nm紫外光的高效响应，器件的峰值响应度和比探测率分别为49.22 mA W⁻¹和2.49×10¹² cm Hz^1/2 W⁻¹。该工作深入揭示了纯相CsCu₂I₃薄膜材料外延生长的物理机制，不仅对深入理解铜基钙钛矿薄膜的真空生长技术具有重要意义，而且为非铅钙钛矿材料在高性能紫外光电探测器中的应用提供了技术方案。该项工作以“Enhanced Responsivity of CsCu₂I₃ Based UV Detector with CuI Buffer-Layer Grown by Vacuum Thermal Evaporation”为题，在线发表在Advanced Optical Materials杂志上（https://doi.org/10.1002/adom.202100889）。

图1 CsCu₂I₃薄膜紫外光电探测器

另一种铜基钙钛矿Cs₃Cu₂I₅具有较宽的直接带隙和稳定的的晶体结构，被认为是实现短波长光电器件应用的理想非铅钙钛矿材料体系。该团队首次采用脉冲激光沉积技术通过可控的真空物理气相生长工艺，制备了高稳定性的Cs₃Cu₂I₅薄膜，有效地降低了材料缺陷密度并精确地控制钙钛矿薄膜的厚度。在此基础上，制备了基于Cs₃Cu₂I₅/n-Si异质结的深紫外光电探测器。该器件实现了对280 nm深紫外光具有有效响应，并表现出出色的空气稳定性。该研究为高质量Cs₃Cu₂I₅薄膜的真空生长及硅基深紫外光电探测器件的制备提供了新的方法和思路。该工作以“Deep ultraviolet photodetector based on pulsed laser deposited Cs₃Cu₂I₅ films/n-Si heterojunction“为题，在线发表在Optics Letters杂志上 （https://doi.org/10.1364/OL.432497）。

图2 脉冲激光沉积技术制备Cs₃Cu₂I₅薄膜

薄膜质量是半导体材料获得优异光电性能的基础。相对于广泛应用于钙钛矿材料制备的溶液旋涂方法，真空物理生长技术具有制备过程可控的优势，能够有效减少缺陷密度，提高材料光电性能；同时，真空生长可以保证薄膜的大面积均匀性，有利于在多层器件结构制备中获得优良的界面。近年来，张立春、赵风周课题组围绕国际半导体光电材料领域的前沿热点问题，深入探索真空环境下钙钛矿薄膜材料生长的物理机制，从根本上解决材料的生长质量和稳定性等问题，在真空技术制备半导体薄膜材料及其光电器件应用方面取得了一系列原创成果，先后在Advanced Optical Materials (2021)，Journal of Materials Chemistry C (2020)，Optics Letters (2019、2020，2021)，IEEE Transactions on Electron Devices(2020)，Journal of Alloys and Compounds (2019，2020)，Optical Materials (2020)，发光学报 (2020)等国内外知名学术期刊上发表学术论文30余篇，受到了国内外同行的关注。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目(No. 62075092, No. 11504155)、烟台市校地融合项目(No. 2021XKZY03，No. 2020XDRHXMP11)的支持。（物理与光电工程学院 撰稿：赵风周 审核：张立春）