钙钛矿量子点诱导的石墨烯光电探测器中波长依赖的光响应变化

理解石墨烯基光探测器光生电流机制对提升光谱选择性和响应稳定性至关重要。本研究系统比较了单层石墨烯与CsPbBr3量子点敏化石墨烯异质结在450nm和525nm激光辐照下的光响应机制。纯石墨烯在450nm表现出显著负光电流（NPC），源于掺杂剂光解吸和SiO2衬底缺陷辅助电离；而525nm辐照下因光子能量不足仅产生不稳定正光电流（PPC）。相比之下，异质结在450nm实现NPC到PPC的转换，525nm下光电流增强且响应速度加快，归因于量子点高效光生载流子生成及到石墨烯通道的快速传输，有效抑制了表面副反应路径。

作者：Young Jun Noh、Minjin Kim、Gi Hun Nam、Akash Gupta、Kootak Hong、Dongguen Shin、Doojin Lee、Yong Il Park、Sang Hyun Lee

韩国光州 Buk-gu 区 Yongbong-ro 77 号，全南国立大学化学工程学院，邮编 61186

摘要

理解基于石墨烯的光电探测器中光电流产生的机制对于提高其光谱选择性和响应稳定性至关重要。因此，本研究旨在系统地研究和比较在 450 nm 和 525 nm 激光照射下，原始单层石墨烯和 CsPbBr₃ 量子点（QD）敏化石墨烯异质结构的光响应机制。原始石墨烯表现出波长依赖性的光响应，在 450 nm 照射下由于 p 型掺杂剂的光解吸和 SiO₂ 基底的缺陷辅助光电离而产生明显的负光电流（NPC）。在 525 nm 照射下，光子能量不足以激活表面和基底机制，石墨烯表现出由弱光电导驱动的不稳定正光电流（PPC）。相比之下，CsPbBr₃/石墨烯异质结构在所有波长下都表现出强且稳定的 PPC。CsPbBr₃ QD 的集成有效地促进了光载流子的生成和传输到石墨烯通道中，克服了寄生 NPC 路径，稳定了整体光响应。时间分辨测量显示异质结构中的上升和下降时间显著加快，证实了从缓慢的表面介导过程向快速光电导动力学的转变。这项比较研究阐明了石墨烯的固有性质、基底相互作用和异质结效应如何共同驱动光电流极性并提高混合 2D/0D 光电探测器的性能。

引言

石墨烯由于其卓越的载流子迁移率、宽带光吸收、机械柔韧性和原子级厚度，在下一代光电器件中具有巨大潜力[1]。这些特性特别有利于光电探测器应用，因为它们能够实现快速载流子传输和宽光谱灵敏度[2]。然而，基于石墨烯的光电探测器仍然受到内在和外在因素的根本限制。从本质上讲，石墨烯的光吸收率较低，每层大约为 2.3%，这在弱到中等照射下显著限制了光电流的产生。此外，缺乏带隙导致开/关光电流比低和光响应性差[3][4]。外在限制主要源于石墨烯与常见介电基底（如 SiO₂）的相互作用。实际器件由于带电杂质、表面声子和氧化物表面粗糙度的影响而性能下降，导致载流子散射和迁移率降低[5][6]。此外，石墨烯和 SiO₂ 之间的界面陷阱会引起时间依赖的势能波动，从而破坏光响应并限制器件的灵敏度和重复性[7][8]。

为了解决这些挑战，提出了将石墨烯与高效吸光材料结合的混合光电探测器。全无机铯铅卤化物钙钛矿量子点（QD），如 CsPbX₃（X = Cl, Br, I），在异质结器件中具有许多吸引人的优势[9][10][11][12]。它们的直接可调带隙覆盖了可见光谱范围，具有高吸收系数（> 10⁵ cm^-1）、长的载流子扩散长度和良好的点缺陷化学性质。与有机-无机混合材料相比，全无机钙钛矿具有更好的热稳定性和化学稳定性[13][14][15]。

CsPbX₃ QD 通过胶体方法合成，并在低温下沉积，从而能够与石墨烯通过溶液工艺集成[16][17]。当与石墨烯结合时，CsPbX₃ QD 能够有效吸收光子并在照射下生成电子-空穴对。异质结处的有利带对齐使得光生载流子能够高效传输到石墨烯层中，后者作为高迁移率的传输通道[18][19]。此外，异质结构部分地将石墨烯 π-电子系统与基底引起的无序分离，减轻了迁移率降低和氧化物支撑的石墨烯器件典型的迟滞现象。尽管有这些优势，但在实现均匀和选择性的 QD 覆盖、最小化界面缺陷以及在环境条件下保持长期操作稳定性方面仍存在挑战。了解钙钛矿 QD 如何影响光响应性——特别是与仅使用石墨烯的器件相比——对于优化混合器件架构至关重要。

我们采用了一种局部集成技术——软压印——在目标器件区域选择性地形成钙钛矿/石墨烯异质结构。利用这种技术，我们制备了以 CsPbBr₃ QD 作为光活性层、石墨烯作为电荷传输层的光电探测器。软压印的局部性质使得在同一器件内可以直接比较异质结构和原始石墨烯区域的光物理行为。使用探针站对单层石墨烯和混合异质结构器件在 450 nm 和 525 nm 照射下的光电响应进行了表征。单层石墨烯器件在 450 nm 照射下表现出负光电流（NPC），在 525 nm 照射下表现出不稳定的正光电流（PPC），表明其光谱选择性和响应动力学较差。相比之下，混合异质结构器件在 450 nm 照射下从 NPC 转变为稳定的 PPC，并且在 525 nm 下表现出显著增强的光电流以及更快的上升和下降时间。这些发现表明，将 CsPbBr₃ QD 结合到基于石墨烯的光电探测器中显著增强了光载流子的生成并稳定了不同波长的光电流。

结果与讨论

图 1(a) 展示了用于制造石墨烯和石墨烯/CsPbBr₃ QD 异质结构光电探测器的软压印过程的示意图。这种局部集成技术利用安装在微操纵器上的 PDMS 微结构，将 QD 溶液选择性地转移到石墨烯通道的特定区域，形成空间定义的异质结，而不会污染周围的基底。

这种方法特别有利于...

结论

通过直接比较原始石墨烯和 CsPbBr₃ QD 敏化石墨烯异质结构，研究了驱动石墨烯基光电探测器中负光电流和正光电流的波长依赖机制。我们使用 450 nm 和 525 nm 的单色照射结合时间分辨光电流测量，阐明了基底相互作用、表面化学和界面光载流子生成如何调节光电流极性和动力学。

CRediT 作者贡献声明

Yong Il Park： 验证、研究。 Doojin Lee： 形式分析、概念化。 Dongguen Shin： 形式分析、概念化。 Young Jun Noh： 撰写——初稿、方法论、研究、形式分析、数据管理。 Sang Hyun Lee： 撰写——审稿与编辑、监督、研究、数据管理、概念化。 Kootak Hong： 方法论、形式分析。 Akash Gupta： 方法论、形式分析。 Gi Hun Nam： 方法论、形式分析。 Minjin Kim： 方法论。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

竞争利益声明

☒ 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了 NRF 的 Global - Learning & Academic 研究机构为硕士、博士研究生和博士后（LAMP）项目（编号 RS-2024-00442775）的财政支持，并得到了 韩国基础科学研究所（国家研究设施和设备中心）通过 教育部 资助的 基础科学研究能力提升项目（编号 RS-2025-02413029）的支持。