带通光电探测器在成像、光通信、比色分析和生物医学领域具有广阔应用前景。其中，“无外置滤光片型”带通光电探测器（filterless bandpass photodetector， FLBP-PD）将滤光层与吸光层直接集到探测器内，具有结构紧凑、集成度高、光耦合简化等优点，是重要的研发方向之一。目前关于FLBP-PD的研究仍然较少，推动该方向发展的关键在于用极低成本方式制造出高性能带通探测，达到与常规外置滤光片性探测器相媲美的程度。这要求集成入FLBP-PD的滤光层满足高性能和低成本的特点。当前，对于如何选择滤光层材料的经验还较为匮乏。
设计开发FLBP-PD滤光层时，需要综合考虑材料吸光能力、界面缺陷特性、制备工艺兼容性等问题。有机半导体由于分子堆积具有随机性，分子间的π电子、分子偶极矩相互作用通常使其薄膜的吸收谱显著展宽，进而导致相应FLBP-PD的响应谱边缘增宽，形成响应波长串扰。对于高结晶无机半导体，其光学吸收边可以很陡峭。然而，无机半导体表面的悬挂键易导致缺陷态，且不同无机材料间存在晶格易失配问题，进而导致相应FLBP-PD面临加工工艺复杂和高界面缺陷密度的问题。
有机-无机杂化钙钛矿成本低廉、光电性质丰富可调，具有独特应用潜力。本研究开发了一种通用的胺蒸汽熏蒸方法，可在固态3D钙钛矿表面直接转化为可图案化的二维/三维（2D/3D）钙钛矿异质结。通过将2D钙钛矿作为前滤光层，3D钙钛矿作为光活性层，实现了基于2D/3D钙钛矿厚异质结的FLBP-PD（图1a，b）。研究发现该类器件具有三方面优越性：
A、 2D钙钛矿的强激子吸收使滤光层的吸收边非常锐利，使FLBP-PD表现出非常陡峭的响应起始边（边缘等效宽度Δλ~10 nm）（图1c），优于传统的有机半导体；
B、 2D钙钛矿的荧光自吸收特性抑制了从滤光层到光响应层（3D钙钛矿）的逃逸荧光，使FLBP-PD器件的光谱抑制比（SRR）提升至>2000, 比以往报道提高了10-100倍（图1d，e）;
C、本研究实现带通探测的原理不依赖于界面淬灭效应，所采用的胺蒸汽处理方案原位钝化了钙钛矿单晶表面缺陷，生成的2D/3D钙钛矿异质结具有完美晶格匹配特性。因此，带通探测功能与高SRR值、高EQE值之间无制约，促进了器件整体性能的提升。
图1：（a）通过胺蒸汽熏蒸获得2D/3D钙钛矿异质结的示意图；（b）2D/3D钙钛矿异质结光电探测器结构示意图；（c）利用有机或2D钙钛矿充当滤光层时，探测器在响应截止边处的等效宽度∆λonset对比；（d）基于MAPbBr3单晶器件和BA2PbBr4/MAPbBr3异质结器件的SRR随外偏压变化情况；（e）基于MAPbI3单晶器件、HA2PbI4/MAPbI3和P3HT/MAPbI3异质结器件的SRR随外偏压变化情况。
进一步地，通过选择不同链长的胺蒸汽熏蒸，可以精细调控2D/3D钙钛矿带通光电探测器的响应起始边。本研究构建了一组波长分辨能力接近~20 nm的Br基2D/3D钙钛矿FLBP-PD，可在水下374nm-450 nm的窄窗口内实现具有低光谱串扰的四通道光通信（图2a，b）。
图2：（a）四种Br基2D/3D钙钛矿异质结FLBP-PD的归一化EQE谱（分别由EA、BA、OA或PEA气体熏蒸制成）。其中，顶图为四色LED发射光谱，其中心波长分别位于374 nm、400 nm、428 nm和450 nm。插图展示了四个FLBP-PD集成于一个MAPbBr3单晶；（b）四种Br基2D/3D钙钛矿异质结FLBP-PD在不同波长入射光照射下的光电流响应。通过差分工作模式可推断出入射光波长。
本研究首次通过构建2D/3D钙钛矿厚异质结实现了FLBP-PD，并阐述了器件工作机理与优点。该工作为FLBP-PD设计提供了新的思路，有望启发更多的带通探测器设计，促进钙钛矿异质结器件在多通道、多光谱探测和彩色成像等领域的应用。 该研究以“Filterless Bandpass Photodetectors Enabled by 2D/3D Perovskite Heterojunctions”为题发表于《先进功能材料》期刊(Advanced Functional Materials)。博士陈逸夫和博士生彭欣欣是本论文共同第一作者，蔺云为指导老师，何军教授团队为该研究提供了光学分析方面的合作支持。研究得到了国家自然科学基金青年项目、长沙市揭榜挂帅项目、中南大学创新驱动等项目基金支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202403942