DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02127-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554699
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Ciyu Ge وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتعزيز أداء كاشفات الضوء من نوع Sn-Pb perovskite المعالجة بالحلول، والتي تُعتبر واعدة لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة ونطاق الطاقة القابل للتعديل. يتناول الدراسة التحديات التي تطرحها أكسدة Sn²⁺، والتي تؤدي إلى تكوين فراغات Sn وتطعيم من النوع p غير المرغوب فيه، مما يؤدي إلى تيار مظلم مرتفع وكشف محدود. للتخفيف من هذه المشكلات، يقدم المؤلفون استراتيجية تمرير سطحية جزيئية غير عضوية باستخدام Sn(SCN)₂، والتي تكبح بفعالية أكسدة Sn²⁺، وتقلل من كثافة العيوب السطحية، وتحسن الخصائص البصرية الإلكترونية، محققة كثافة تيار مظلم قدرها 10 نانو أمبير سم⁻² عند جهد -0.1 فولت وكشف محدد يبلغ حوالي 1.6 × 10¹³ جونز.
استنادًا إلى هذه التقنية في تمرير السطح، طور الباحثون جهاز تصوير NIR من نوع Sn-Pb perovskite متكامل بشكل أحادي مع دائرة قراءة من نوع CMOS. يتميز هذا الجهاز بمصفوفة بكسل 640 × 512 مع مسافة بكسل 15 ميكرومتر، محققًا كفاءة كمية خارجية تبلغ 76% عند 940 نانومتر ووظيفة نقل تعديل تبلغ 206.5 LW/PH عند 50%. بالإضافة إلى ذلك، يظهر جهاز تصوير Sn-Pb perovskite قدرات متقدمة في التعرف على المواد، بما في ذلك تحديد السوائل، مما يبرز إمكانياته في تطبيقات الاستشعار الكيميائي، والتصوير الطبي، والتفتيش الصناعي.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية كاشفات الضوء في الإلكترونيات الضوئية، وخاصة تلك التي تعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، والتي تعتبر ضرورية لتطبيقات مثل فحص الأمن، وتحديد المواد، ورؤية الآلات، والقيادة الذاتية. على الرغم من التقدم في أشباه الموصلات العضوية وكاشفات الضوء المعتمدة على النقاط الكمومية، لا تزال كفاءتها الكمية الخارجية (EQE) في منطقة NIR أقل من 60%. تُبرز البيروفيسكيتات الهاليدية، وخاصة بيروفيسكيتات Sn-Pb، كمرشحين واعدين نظرًا لارتفاع معامل امتصاصها وتوافقها مع معالجة الحلول. ومع ذلك، فإن التحديات مثل كثافة التيار المظلم المرتفعة والكشف المحدد المنخفض (D*) تعيق تطويرها.
تقترح الورقة استراتيجية جديدة لتمرير السطح باستخدام بلورات جزيئية من Sn(SCN)₂ للتخفيف من أكسدة Sn في بيروفيسكيتات Sn-Pb، مما يؤدي إلى عيوب تزيد من كثافة التيار المظلم. تشير حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) إلى أن Sn²⁺ في Sn(SCN)₂ يتفاعل بفعالية مع الفراغات السطحية، مما يؤدي إلى تمرير العيوب. تُظهر كاشفات الضوء من نوع Sn-Pb perovskite الناتجة كثافة تيار مظلم منخفضة للغاية قدرها 10 نانو أمبير سم⁻² عند -0.1 فولت وD* مرتفع يبلغ حوالي 1.6 × 10¹³ جونز. علاوة على ذلك، تُبلغ الورقة عن التكامل الناجح لجهاز تصوير NIR مع دائرة قراءة متكاملة من نوع CMOS، محققة EQE قدرها 76% عند 940 نانومتر وتظهر قدرات لتحديد السوائل، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا تصوير NIR.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والمذيبات المستخدمة في بحثهم دون إخضاعها لعمليات تنقية. تشمل المواد الخام الرئيسية يوديد الرصاص (PbI₂، 99.999%)، يوديد القصدير (SnI₂، 99.999%)، يوديد الفورماميدينيوم (FAI، > 99%)، ويوديد الميثيل أمونيوم (MAI، > 99%)، المصدرة من شركة Advanced Election Technology Co., Ltd. تم الحصول على مواد إضافية مثل ثيوسيانات الرصاص (Pb(SCN)₂، 99.5%)، يوديد السيزيوم (CsI، 99.999%)، ومركبات عضوية متنوعة بما في ذلك PEDOT:PSS وC₆₀ من شركة Xi’an Yuri Solar Co., Ltd.
علاوة على ذلك، تشمل المذيبات المستخدمة في الدراسة N,N-dimethylformamide (DMF، 99.8%، خالي من الماء)، dimethyl sulfoxide (DMSO، 99.9%، خالي من الماء)، chlorobenzene (CB، 99.9%، خالي من الماء)، وisopropanol (IPA، 99.5%، خالي من الماء)، جميعها تم الحصول عليها من Sigma-Aldrich. تم الحصول على Bathocuproine (BCP) من TCI، بينما تم الحصول على زجاج أكسيد القصدير الإنديوم (ITO)، الذي يتميز بمقاومة ورقية تتراوح بين 7-9 أوم/متر مربع، أيضًا من شركة Advanced Election Technology Co., Ltd. تُؤسس هذه القائمة الشاملة من المواد والمذيبات الأساس للإجراءات التجريبية الموصوفة في الأقسام اللاحقة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في سلوك النظام قيد الدراسة، كما هو موضح من خلال التمثيلات البيانية المضمنة في القسم.
علاوة على ذلك، تؤكد نتائج تحليل التباين (ANOVA) أن الفروقات بين متوسطات المجموعات ذات دلالة إحصائية، مما يدعم الفرضية بأن العلاج له تأثير قابل للقياس. تشير أحجام التأثير المحسوبة إلى تأثير معتدل إلى كبير، مما يعزز الأهمية العملية للنتائج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في فهم الآليات الأساسية وتوفر أساسًا للبحث المستقبلي في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، قدمنا Sn(SCN)₂ كعامل تمرير سطح فعال لأفلام بيروفيسكيت Sn-Pb، مما يعزز أدائها بشكل كبير من خلال التخفيف من العيوب السطحية وكبح أكسدة أيونات Sn²⁺. أشار رسم الخرائط الكهربائية الجزيئية إلى أن أيونات Sn²⁺ في Sn(SCN)₂ تتفاعل بشكل إيجابي مع سطح البيروفيسكيت، محققة طاقة امتصاص قدرها -1.25 eV. أكدت التحليلات بعد المعالجة، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) ومطيافية الإلكترونات بالأشعة السينية (XPS)، نجاح التمرير، كما يتضح من انخفاض محتوى Sn⁴⁺ من 34.71% إلى 13.01% وزيادة ملحوظة في تركيز الإلكترونات بالقرب من السطح. أدى هذا العلاج إلى تحسين شكل الفيلم، مع تقليل خشونة السطح وتعزيز خصائص الفوتولومينسنس، مما أدى إلى زيادة كبيرة في عمر الحامل من 125 نانو ثانية إلى 461 نانو ثانية.
أظهرت كاشفات الضوء من نوع Sn-Pb perovskite المصنوعة باستخدام Sn(SCN)₂ انخفاضًا ملحوظًا في كثافة التيار المظلم (من 61 نانو أمبير سم⁻² إلى 10 نانو أمبير سم⁻² عند -0.1 فولت) ونطاق ديناميكي مرتفع (147 ديسيبل)، مقارنةً بالديودات الضوئية السيليكونية. أظهرت الأجهزة أوقات استجابة سريعة وخصائص ضوضاء ممتازة، محققة تيار ضوضاء قدره ~9.76 fA/Hz⁻¹/² عند 1 كيلوهرتز. وصلت الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) إلى 76% عند 940 نانومتر، مع كشف محدد (D*) قدره ~1.6 × 10¹³ جونز، متجاوزة التقارير السابقة لكاشفات الضوء من نوع Sn-Pb perovskite. بالإضافة إلى ذلك، عرض جهاز تصوير Sn-Pb perovskite، الذي يحتوي على 640 × 512 بكسل، قدرات تصوير استثنائية، مميزًا بين مختلف المذيبات تحت إضاءة الأشعة تحت الحمراء القريبة، وحافظ على الاستقرار على مدى فترات طويلة. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات Sn(SCN)₂ في تعزيز أداء واستقرار أجهزة Sn-Pb perovskite، مما يمهد الطريق لتطبيقات تصوير متقدمة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02127-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554699
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Ciyu Ge et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
The research presents a novel approach to enhance the performance of solution-processed Sn-Pb perovskite photodetectors, which are promising for near-infrared (NIR) applications due to their cost-effectiveness and tunable bandgap. The study addresses the challenges posed by Sn²⁺ oxidation, which leads to the formation of Sn vacancies and undesirable p-type doping, resulting in high dark current and limited detectivity. To mitigate these issues, the authors introduce a Sn(SCN)₂ inorganic molecular surface passivation strategy that effectively suppresses Sn²⁺ oxidation, reduces surface defect density, and improves optoelectronic properties, achieving a dark current density of 10 nA cm⁻² at a bias of -0.1 V and a specific detectivity of approximately 1.6 × 10¹³ Jones.
Building on this surface passivation technique, the researchers developed a monolithically integrated Sn-Pb perovskite NIR imager with a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) readout circuit. This imager features a 640 × 512 pixel array with a 15 μm pixel pitch, achieving an external quantum efficiency of 76% at 940 nm and a modulation transfer function of 206.5 LW/PH at 50%. Additionally, the Sn-Pb perovskite imager demonstrates advanced material recognition capabilities, including the identification of liquids, highlighting its potential applications in chemical sensing, biomedical imaging, and industrial inspection.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of photodetectors in optoelectronics, particularly those operating in the near-infrared (NIR) spectrum, which are essential for applications such as security screening, material identification, machine vision, and autonomous driving. Despite the advancements in organic semiconductors and quantum dot-based photodetectors, their external quantum efficiency (EQE) in the NIR region remains below 60%. Halide perovskites, particularly Sn-Pb perovskites, are highlighted as promising candidates due to their high absorption coefficients and compatibility with solution processing. However, challenges such as high dark current density and low specific detectivity (D*) hinder their development.
The paper proposes a novel surface passivation strategy using Sn(SCN)₂ molecular crystals to mitigate the oxidation of Sn in Sn-Pb perovskites, which leads to defects that increase dark current density. Density functional theory (DFT) calculations indicate that Sn²⁺ in Sn(SCN)₂ effectively interacts with surface vacancies, thereby passivating defects. The resulting Sn-Pb perovskite photodetectors demonstrate an ultralow dark current density of 10 nA cm⁻² at -0.1 V and a high D* of approximately 1.6 × 10¹³ Jones. Furthermore, the paper reports the successful integration of a NIR imager with a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) readout integrated circuit (ROIC), achieving an EQE of 76% at 940 nm and showcasing capabilities for liquid identification, marking a significant advancement in NIR imaging technology.
Methods
In this section, the authors detail the materials and solvents utilized in their research without subjecting them to purification processes. The primary raw materials include lead iodide (PbI₂, 99.999%), tin iodide (SnI₂, 99.999%), formamidinium iodide (FAI, > 99%), and methylammonium iodide (MAI, > 99%), sourced from Advanced Election Technology Co., Ltd. Additional materials such as lead thiocyanate (Pb(SCN)₂, 99.5%), cesium iodide (CsI, 99.999%), and various organic compounds including PEDOT:PSS and C₆₀ were procured from Xi’an Yuri Solar Co., Ltd.
Furthermore, the solvents employed in the study include N,N-dimethylformamide (DMF, 99.8%, anhydrous), dimethyl sulfoxide (DMSO, 99.9%, anhydrous), chlorobenzene (CB, 99.9%, anhydrous), and isopropanol (IPA, 99.5%, anhydrous), all acquired from Sigma-Aldrich. Bathocuproine (BCP) was obtained from TCI, while the indium tin oxide (ITO) glass, characterized by a sheet resistance of 7-9 ohm/sq, was also sourced from Advanced Election Technology Co., Ltd. This comprehensive listing of materials and solvents establishes the foundation for the experimental procedures described in subsequent sections.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the behavior of the system under study, as illustrated by the graphical representations included in the section.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) results confirm that the differences among group means are statistically significant, supporting the hypothesis that the treatment has a measurable effect. The effect sizes calculated indicate a moderate to large impact, reinforcing the practical significance of the findings. Overall, these results contribute to the understanding of the underlying mechanisms and provide a foundation for future research in this area.
Discussion
In this study, we introduced Sn(SCN)₂ as an effective surface passivation agent for Sn-Pb perovskite films, significantly enhancing their performance by mitigating surface defects and suppressing the oxidation of Sn²⁺ ions. The molecular electrostatic potential mapping indicated that Sn²⁺ ions in Sn(SCN)₂ interact favorably with the perovskite surface, achieving an adsorption energy of -1.25 eV. Post-treatment analyses, including Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), confirmed successful passivation, evidenced by a reduction in Sn⁴⁺ content from 34.71% to 13.01% and a notable increase in near-surface electron concentration. This treatment resulted in improved film morphology, with reduced surface roughness and enhanced photoluminescence properties, leading to a significant increase in carrier lifetime from 125 ns to 461 ns.
The Sn-Pb perovskite photodetectors fabricated with Sn(SCN)₂ exhibited a remarkable reduction in dark current density (from 61 nA cm⁻² to 10 nA cm⁻² at -0.1 V) and a high dynamic range (147 dB), comparable to silicon photodiodes. The devices demonstrated rapid response times and excellent noise characteristics, achieving a noise current of ~9.76 fA/Hz⁻¹/² at 1 kHz. The external quantum efficiency (EQE) reached 76% at 940 nm, with a specific detectivity (D*) of ~1.6 × 10¹³ Jones, surpassing previous reports for Sn-Pb perovskite photodetectors. Additionally, the Sn-Pb perovskite imager, featuring 640 × 512 pixels, showcased exceptional imaging capabilities, distinguishing between various solvents under near-infrared illumination, and maintained stability over extended periods. These findings underscore the potential of Sn(SCN)₂ for enhancing the performance and stability of Sn-Pb perovskite devices, paving the way for advanced imaging applications.