（新闻网讯） 4月27日，《自然•通讯》（Nature Communications）在线发表了武汉光电国家研究中心唐江教授课题组关于手性杂化钙钛矿的研究成果，该论文题为《基于手性杂化钙钛矿的圆偏振光探测》（Circularly polarized light detection using chiral hybrid perovskite）。

圆偏振光（CPL）探测在药物筛选、安全检测和量子光学等领域具有广泛的应用。传统上，CPL光电探测器需要安装光学元件（如起偏器、1/4玻片等），不利于器件的集成化和柔性化。利用手性有机半导体（Nat. Photonics, 2013, 7, 634）和金属手性超结构（Nat. Commun., 2015, 6, 8379）对CPL的选择性吸收，已经实现了不需要光学元件的CPL探测器，但受限于低的载流子传输效率，其响应度低于<10 ma w^-1，不利于实际应用。一般情况下，手性有机材料由于存在手性位点或手性螺旋结构，往往容易表现出强的圆二色性；而无机材料具有较好的电荷传输性能，但其本身很难具有手性。将具有强圆二色性的有机物与电荷高效传输的无机材料相结合，构建有机-无机杂化半导体，是实现强手性区分和高灵敏CPL探测的理想方案。当前以CH₃NH₃PbI₃为代表的有机-无机杂化钙钛矿，因其优良的光电性能、高的缺陷容忍度、低的制备成本等优势，在太阳能电池、光电探测器、发光二极管等领域取得了优异的成果。但CH₃NH₃PbI₃不具有手性，因此无法实现CPL探测。

图1. （a）(R-α-PEA)PbI₃和（b）(S-α-PEA)PbI₃晶体结构；（c）(α-PEA)PbI₃薄膜圆二色谱和归一化吸收谱。

研究人员选用手性的(R)-α-甲基苄胺（R-α-PEA）及其对映体(S)-α-甲基苄胺（S-α-PEA）作为A位，铅（Pb）和碘（I）分别作为B位和X位，通过降温析晶的方法制备了(R-α-PEA)PbI₃和(S-α-PEA)PbI₃单晶。利用单晶结构解析和粉末X射线衍射表征，确定了其晶体归属于正交晶系的P2₁2₁2₁手性空间群（图1a,b），PbI₆八面体按照共面的方式连接成无机骨架。然后将(R-α-PEA)PbI₃和(S-α-PEA)PbI₃单晶溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）配制成溶液，通过旋涂和退火过程在石英基底上制备成薄膜。对薄膜进行圆二色谱测试，发现其在328 nm和392 nm具有明显的圆二色信号（图1c）。由图1c可知，(R-α-PE)APbI₃对右旋CPL的吸收的吸收能力大于左旋CPL，而(S-α-PEA)PbI₃对左旋CPL的吸收能力大于右旋CPL。根据其对左、右旋光的吸收能力不一样，即可实现CPL的探测。

图2. （a）光电型器件结构；（b）CPL光下的响应度；（c）光强依赖的光电流和响应度

研究者将(R-α-PEA)PbI₃和(S-α-PEA)PbI₃钙钛矿薄膜制备成光电导型探测器（图2a），并在左、右旋光下分别测试了其响应度，发现在395 nm的光激发下，探测器具有明显区分左、右旋CPL的能力（图2b）。定义探测器对左、右旋CPL的区分度（g_res）为2(R_L-R_R)/( R_L+R_R)，其中R_L和R_R分别为左旋光和右旋光下的响应度。由图2b计算可知，手性钙钛矿CPL探测器的g_res大约为~0.1。通过变光强的响应度测试，研究人员发现，在弱光强下，探测器的响应度可达797 mA W^-1。进一步测试表明，其噪声小于10^-25 A² Hz^-1，3dB为150 Hz。通过噪声和响应度，计算出的比探测率达到7.1×10¹¹ Jones。另外，研究人员按照相同的工艺，在PET基底上制备了柔性器件，实现了与硬质基底性能相当的器件。最后，研究人员还对钙钛矿在环境中的存储稳定性进行了研究，发现其在环境中存储一个月，没有表现出明显的性能衰减。

本研究工作由武汉光电国家研究中心唐江教授课题组完成。该工作得到了国家重点研发计划项目2016YFB0700702、国家自然科学基金61725401、51761145048的经费支持。华中科技大学光电国家研究中心博士后陈超为第一作者，唐江教授为通讯作者。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09942-z