近日，材料与环境工程学院张骐教授团队以杭电为第一单位在国际顶级学术期刊Small上发表了题为Epitaxial Growth of Lead-Free 2D Cs3Cu2I5 Perovskites for High-Performance UV Photodetectors的最新研究成果论文（影响因子15.153），并被选为封底文章。其中硕士研究生吕嘉楠为论文第一作者，张骐教授为通讯作者。开云体育研究生陆欣月、教师李馨博士、徐旻轩博士、钟家松博士、郑鑫博士、史月琴博士、张雪峰教授参与本项工作。
光电探测器是一类光电器件，其中特定波长(紫外线、可见光和红外线)的光信号可以被捕获并转换成可读的电信号，赋予了光谱分析、矿物勘探、生物医学和环境监测等多种应用。追求光学探测突出能力的实质性进展依赖于对关键半导体材料的探索，如节能、轻质和柔性元器件。近年来，巨大的注意力集中在具有有趣特征的金属卤化物钙钛矿上(例如，带隙可调，载流子扩散长度大，光吸收比大和较高的电荷载流子迁移率) ，然而现阶段钙钛矿的研究以铅基钙钛矿为主，钙钛矿中铅离子的毒性和不稳定性将造成不可忽视的环境污染，甚至对人类有害，从而极大地阻碍了其进一步的实际应用。在这种情况下，具有类似光电潜能的环保的无铅钙钛矿正在引起消费市场的极大兴趣。
本项工作报导了国际上首次在云母衬底上外延生长了2D全无机钙钛矿结构的Cs3Cu2I5单晶，厚度可达10nm。为构筑基于单个Cs3Cu2I5纳米片的紫外(UV)光探测器，本团队提出了的一种快速且无蚀刻的干法转移方法制备，器件的响应率达到3.78A/W(270nm，5V )，响应速度(τrise ≈163ms，τdecay≈203ms)，优于基于其他2D 金属卤化物钙钛矿的同类UV传感器。因此，这项工作为基于无铅二维钙钛矿的绿色光电器件的制造提供了可能性，这对于光电技术的可持续发展至关重要。
团队利用Cs3Cu2I5与云母基底间晶格较小的失配度，以限域式生长法，可控地外延生长了大批量高质量的2D纳米片。
图1、a)用于合成Cs3Cu2I5纳米片的化学气相沉积装置示意图; b) Cs3Cu2I5晶体的原子结构。c) Cs3Cu2I5晶体的厚度和尺寸分布随生长温度的变化。d)在云母衬底上生长的 Cs3Cu2I5晶体和 e)大小为33.5 μm的Cs3Cu2I5纳米片的光学图像。f)在Cs3Cu2I5薄片上测量平面成像和厚度。
通过XRD、Raman表征证实纳米片为高质量单晶，XPS谱表明材料中的元素成分，复合Cs3Cu2I5的化学计量配比。
图2、a)位于云母衬底上的Cs3Cu2I5纳米片的Sem图像。b)样本的XRD衍射峰，与底部的Cs3Cu2I5(JCPDS#79-0333)进行比较。c)斯托克斯拉曼光谱。d) Cs3Cu2I5纳米片(左)和观察到的蓝色发射(右)在紫外灯激发(≈254nm)下。e)片状表面的放大图像，具有Cs(黄色)、Cu(绿色)和I(白色)的EDX元素映射。
图3、a)在云母衬底上的Cs3Cu2I5晶体的XPS测量光谱，放大了 b)Cs 3d，c) Cu 2p3和 d) I 3d5元素的视图。
进一步研究发现Cs3Cu2I5纳米片的强蓝光发射来源于自捕获激子的辐射跃迁，这种跃迁伴随着大的斯托克斯位移和微秒级的衰变时间。
图4、a)放置在云母衬底上的Cs3Cu2I5晶体的紫外-可见光吸收光谱，插图显示了用于带隙估算的 Kubelka-Munk (K-M)图，Edir ≈3.76 eV。b) Cs3Cu2I5纳米片的稳态光致发光(PL)和光致发光激发(PLE)光谱(由245nm单色光激发)。c)与温度有关的Cs3Cu2I5晶体的PL光谱。d) Cs3Cu2I5样品的积分PL强度为1/t的函数。e)300nm激光激发下的Cs3Cu2I5晶体的时间分辨PL衰减和单指数拟合曲线。f)构型坐标图说明了Cs3Cu2I5纳米片的自限制激发(STE)过程。
Cs3Cu2I5钙钛矿溶于酒精、丙酮等极性溶剂，为此，研究团队提出了一种样品免接触液体的器件构筑方式，为钙钛矿和其他可溶性材料的器件构建提供了替代方案。由于其较少的缺陷和晶界问题，紫外光探测性能明显优于液相法合成的Cs3Cu2I5多晶薄膜，在同类型的紫外光电探测器中也具有较强的竞争力。
图5。a)基于Cs3Cu2I5纳米片的光电探测器的两步干法转移过程。b)一个Cs3Cu2I5光电探测器件的光学图像。c)在暗模式和270,365,405nm，≈1mw/cm2的光照下工作的器件的 I-V 特性曲线。d)功率相关的光电流和幂律拟合曲线(V = 5V,@365nm)。e)响应性和外量子效率与光强的图(V = 5V,@365nm)。f)在器件的时间分辨光响应期间的一个周期的放大视图(5V) ，功率强度为≈1mw/cm2@365nm。
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