基于石墨烯-钙钛矿异质结的柔性仿生视网膜

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近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料因其具有优异的光电性能备受关注。杂化钙钛矿的高载流子迁移率、高光吸收效率以及长载流子传输距离使其成为光电探测器的理想光吸收材料。杂化钙钛矿的晶粒尺寸和致密性是影响光电器件性能的关键因素。此外，杂化钙钛矿中的光激发电子-空穴对容易发生泯灭而导致器件光电流和光响应度的降低。因此，制备高质量的杂化钙钛矿薄膜材料和抑制其自身载流子泯灭对于提高光电探测器的性能尤为重要。

通过构建异质结调控界面处的材料之间的相互作用，可以改善杂化钙钛矿的光电性能，从而有望提升光电探测器的性能。石墨烯具有优异的光电性能，包括高载流子迁移率、宽光谱吸收和快速响应，使其在光电应用中具有极大的应用潜力。

最近，清华大学张莹莹团队以化学气相沉积法制备的高质量石墨烯薄膜作为模板，采用两步化学气相沉积法制备了外延生长的 MAPbI₃，并将所得到的钙钛矿/石墨烯异质结构用于柔性图像传感器。由于所得到的MAPbI₃薄膜由密集堆积的大尺寸晶粒组成，以此MAPbI₃/石墨烯薄膜作为光吸收层构建的光电探测器显示了光响应性高和响应快的优势。

受人类视觉系统的启发，作者设计了柔性光电探测器阵列（24×24像素）作为图像传感器，其中MAPbI₃/石墨烯异质结充当“视锥细胞”的角色，该器件可用于图像识别和颜色辨别，展示了在可穿戴设备和人工视网膜应用中的潜力。

图1. 在石墨烯和石英基底表面生长的MAPbI₃的SEM和AFM表征。(a，b) MAPbI₃/石墨烯异质结的SEM和AFM形貌图。(c，d) 在石英上生长的MAPbI₃膜的SEM和AFM形貌图。对比可发现在石墨烯上生长的薄膜晶粒尺寸大，连续性好。

图2. 以MAPbI₃/石墨烯异质结作为光吸收层的柔性图像传感器及其应用。(a，b) 24×24像素柔性图像传感器的示意图。(c) 柔性图像传感器的照片。光照下(光强度为30 µW，光波长为633 nm)，器件输出的卡通猪(d)和二维码(e)图像。(f) 人类视觉系统中的成像系统的示意图。(g) 在蓝、绿和红三种波长光照射下，以MAPbI₃/石墨烯异质结充当视锥细胞时，图像传感器成像示意图。(h) 在不同的波长光照下(光强度为75µW，光波长分别为380, 633和750 nm)，柔性图像传感器的输出图像。

相关结果已在Science Bulletin 在线发表。其中, 光电器件制作与性能研究方面与湖南大学潘安练教授、中科院北京纳米能源所潘曹峰研究员合作完成。该文第一作者是清华大学博士研究生夏凯伦，共同通讯作者是潘安练、潘曹峰和张莹莹。

研究得到了国家自然科学基金(51672153，51422204)和科技部(2016YFA0200103)的资助。

文章信息：

Xia K, Wu W, Zhu M, et al. CVD growth of perovskite/grapheme films for high-performance flexible image sensor. Science Bulletin, 2020, https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.12.015

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