Angew. Chem.：受蝴蝶鳞片启发的高性能钙钛矿光探测器

来源：X一MOL资讯

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

操控光子是人们的一个梦想，增强光吸收对于光电器件、光热材料、高效光催化等领域具有重要的意义。自然界经过亿万年的进化使生物界产生了很多精美的微结构。周期性的微结构通过与太阳光发生散射、干涉及衍射等作用，不仅可以产生绚丽的结构色，而且在光伏领域具有重要的应用价值。其中，凤蝶翅膀鳞片的黑色部分具有许多平行排列的脊状纵肋，纵肋间有许多大小不等，形状不规则的多孔结构，该结构能够有效的减少光的反射，延长入射光光程，利于增强光与物质的相互作用。同时鳞片上周期性的平行纵肋构成光栅结构，赋予了鳞片偏振特性（如图1a所示）。

受凤蝶翅膀鳞片多级结构的启发，中国科学院化学研究所李明珠团队巧妙地采用DVD纳米压印技术和纳米球刻蚀方法，构筑了一种具有一维纳米光栅和二维光子晶体复合结构的钙钛矿光探测器（1D nano-grating bonded porous 2D photonic crystal perovskite photodetector，G-PC-PD）。这种设计创新性地将多级光学结构与钙钛矿材料结合起来。一方面，多级复合结构巧妙地将光栅衍射和光子晶体光子禁带特性结合，增强了钙钛矿活性层对光的捕获性能，提高了器件对光的利用率；另一方面，二维孔状支架和压印过程可以提高钙钛矿的结晶质量。较强的光捕获能力及高质量的钙钛矿活性层赋予了G-PC-PD优异的光响应性（12.67 A/W）和探测率（3.22×1013  Jones），约是无结构器件的7倍（如图2a,b所示）。均向一维纳米光栅的引入实现了对偏振光的灵敏性检测（光电流随偏振光角度的线性变化关系为-0.72 A/°，如图2c,d所示）。这种受蝴蝶鳞片启发的多级结构为高性能光电器件提供了一种新的设计思路。

图1. 凤蝶翅膀鳞片黑色区域的微观形貌，一维纳米光栅-二维光子晶体光探测器的制备过程及光学示意图

图2. 不同结构光探测器的光电性能表征及其对偏振光的检测

相关成果发表于Angewandte Chemie International Edition。2018级博士生战岩与汪洋助理研究员为共同第一作者，李明珠研究员为通讯作者。

导师介绍

李明珠，中国科学院化学研究所研究员。国家优秀青年基金、北京市青年拔尖个人项目获得者，北京市科技新星，中国科学院青年创新促进会优秀会员，获得北京市科学技术一等奖和中国科学院卢嘉锡青年人才奖等。主要开展仿生微纳光学结构的设计、构筑及应用研究。利用自组装、印刷等方法构筑了具有光子晶体、等离激元共振、光栅等微纳光学结构和材料，并将其应用于光学传感、催化、光电器件等领域，探索了光与物质的相互作用，为超构材料和高性能光电器件的可控制备和应用开辟了新的途径。在Nat. Commun., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energ. Environ. Sci. 等国际化学、材料领域的国际重要期刊上发表SCI论文60余篇（其中第一作者和通讯作者, IF＞5的30余篇，封面论文20余篇）。研究成果多次被Nature China, 美国化学会Noteworthy Chemistry, Materials Views China等亮点报道。

https://www.x-mol.com/university/faculty/68978

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿凭借优异的光电性能已成为下一代最具有竞争力的光伏材料。近十年来，其光电换换效率取得重大突破，目前已认证的最高效率达25.2%。但是所制备的钙钛矿薄膜存在反射，透射及结晶差等问题，使器件对太阳光的利用率降低，导致光电流密度远小于理论值。因此提高钙钛矿光伏器件对太阳光的利用率已迫在眉睫。我们的研究方向是通过构筑微纳光学结构提高器件对太阳光的利用率。微纳光学结构的引入一方面可以增强器件对光的捕获率，另一方面提高钙钛矿活性层的结晶质量。凤蝶翅膀鳞片的黑色区域具有较强的光吸收能力，一部分原因是由平行脊状纵肋和多孔结构构成的多级结构，通过对入射光的调控作用产生的减反和光子限域效果引起的。并且鳞片的平行纵肋可以产生偏振效应。受其启发，我们设计构筑了一种具有一维纳米光栅-二维孔状光晶的多级结构钙钛矿光探测器。这种多级结构不仅提升了器件对入射光的利用率，而且可以实现其对偏振光的灵敏性检测。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本文最大的挑战就是如何通过经济、高效及可重复的方法构筑多级仿生结构。在这一过程中，二维孔状光子晶体结构的构筑尤为重要。我们采用廉价易制备的高度有序密堆积胶体球为模板，利用反溶剂法构筑了具有二维有序多孔光子晶体结构的钙钛矿活性层，同时多孔支架结构有利于钙钛矿的结晶质量的提高。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：近年来，光伏器件在现实生活中已得到广泛应用，如太阳能发电、太阳能路灯等。光学结构的设计可以提高器件对入射光的利用率，从而使其光电转换效率得到提升。这种创新性的结构设计不仅可以应用于光探测器，并且在光伏器件中具有良好的应用前景。