一、研究背景與科學(xué)問題
    二維(2D)鉛基鈣鈦礦材料因強量子限域效應(yīng)通常具有大于1.6eV的帶隙，導(dǎo)致其在近紅外(NIR)波段的光吸收效率顯著不足，嚴重制約了該類材料在弱光探測領(lǐng)域的應(yīng)用。針對這一關(guān)鍵瓶頸，上海大學(xué)王生浩團隊聯(lián)合重慶文理學(xué)院李璐、程江團隊提出熱調(diào)控結(jié)晶策略，成功制備出高結(jié)晶度(PEA)?FA?Pb?I??二維鈣鈦礦薄膜，構(gòu)建了具有自供電特性的近紅外光電探測器。相關(guān)成果發(fā)表于《AdvancedFunctionalMaterials》，為解決傳統(tǒng)二維鈣鈦礦在弱光環(huán)境下的響應(yīng)不足問題提供了創(chuàng)新性解決方案。

    二、材料制備與技術(shù)創(chuàng)新
    1.熱調(diào)控結(jié)晶機制的突破性設(shè)計
    通過基底預(yù)熱工藝(50100°C)調(diào)控薄膜生長動力學(xué)，實現(xiàn)了三大技術(shù)突破：
    結(jié)晶質(zhì)量優(yōu)化：100°C預(yù)熱條件下，薄膜結(jié)晶度顯著提升，(111)晶面衍射峰強度增強2.8倍，晶粒尺寸增大至微米級，薄膜厚度達741nm，形成連續(xù)致密的光吸收層；
    相結(jié)構(gòu)精確調(diào)控：有效抑制n=2低維相生成，促進高維(n=∞)鈣鈦礦相主導(dǎo)，帶隙降低至1.55eV，首次實現(xiàn)純鉛基二維材料在800nm波段的高效光響應(yīng)；
    缺陷密度抑制：通過XRD與SEM表征證實，熱調(diào)控薄膜的缺陷態(tài)密度較對照組降低62%，載流子壽命延長至235μs，為低噪聲探測奠定物理基礎(chǔ)。
    2.器件結(jié)構(gòu)與性能表征
    基于優(yōu)化后的鈣鈦礦薄膜，構(gòu)建ITO/NiOx/2D鈣鈦礦/PCBM/Ag異質(zhì)結(jié)器件，其核心性能指標如下：
    高靈敏度探測性能：800nm光照下，響應(yīng)度達0.325A/W，探測率(D)為1.12×10¹¹cm·Hz¹/²·W?¹，噪聲電流低于3pA/Hz¹/²，超越多數(shù)傳統(tǒng)硅基探測器；
    動態(tài)響應(yīng)特性：開關(guān)比達2×10?，響應(yīng)時間(上升/下降)為290μs/235μs，滿足動態(tài)場景實時探測需求；
    自供電工作模式：依賴鈣鈦礦/NiOx界面內(nèi)建電場，器件在0V偏壓下實現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換，避免外部電源干擾，提升系統(tǒng)集成可靠性。

    三、弱光成像應(yīng)用與機制分析
    在0.1μW/cm²超低光照強度下(約為月光照度10%)，該探測器實現(xiàn)50lp/mm分辨率的圖像捕獲，其核心機制包括：
    1.光吸收增強效應(yīng)：741nm厚膜結(jié)構(gòu)使800nm光吸收率提升至92%，較200nm薄膜提高4.1倍；
    2.載流子輸運優(yōu)化：高結(jié)晶度薄膜的載流子遷移率達12.7cm²/V·s，結(jié)合界面工程設(shè)計，光生電荷收集效率提升至89%；
    3.噪聲抑制體系：熱調(diào)控與界面修飾協(xié)同降低陷阱態(tài)密度，弱光條件下信噪比(SNR)較傳統(tǒng)器件提升3個數(shù)量級，突破量子限域?qū)е碌脑肼暺款i。

    四、領(lǐng)域創(chuàng)新價值與應(yīng)用前景
    1.學(xué)術(shù)創(chuàng)新維度
    材料設(shè)計突破：熱調(diào)控策略打破二維鈣鈦礦帶隙與近紅外響應(yīng)的矛盾，為寬光譜探測材料開發(fā)提供普適性方法論；
    器件性能革新：首次實現(xiàn)二維鈣鈦礦探測器噪聲電流<3pA/Hz¹/²，具備與InGaAs器件競爭的潛力；
    成像技術(shù)突破：極弱光成像能力解決傳統(tǒng)二維材料在低照度場景的應(yīng)用缺陷，拓展近紅外探測邊界。
    2.產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向
    智能駕駛感知系統(tǒng)：適配夜間、隧道等低光照環(huán)境的目標識別，響應(yīng)速度達毫秒級，可提升自動駕駛系統(tǒng)安全性；
    生物醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域：利用近紅外光對生物組織的穿透性(11.5mm)，適用于無創(chuàng)活體成像、內(nèi)窺鏡檢查等醫(yī)療場景；
    安防與工業(yè)檢測：在微光監(jiān)控、工廠低照度檢測中實現(xiàn)高分辨率實時成像，功耗較傳統(tǒng)紅外設(shè)備降低80%。

    本研究通過熱調(diào)控結(jié)晶策略，系統(tǒng)性解決了二維鈣鈦礦在近紅外弱光探測中的光吸收不足、噪聲偏大等核心問題。器件在0.1μW/cm²光照下的高分辨率成像表現(xiàn)，為下一代智能傳感、生物醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域提供了低成本、高性能的技術(shù)路徑。未來結(jié)合柔性基底集成與陣列化制備技術(shù)，該類探測器有望推動近紅外探測技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)、精準醫(yī)療等場景的規(guī)?；瘧?yīng)用。
    原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202505180