近期，吉林大学电子科学与工程学院、集成光电子学国家重点实验室、未来科学国际合作联合实验室新概念材料团队在Advanced Materials上发表了题为“Highly Sensitive Tin-Lead Perovskite Photodetectors with Over 450 days Stability Enabled by Synergistic Engineering for Pulse Oximetry System”的研究工作。该工作提出了一种分子级协同钝化策略，揭示材料与器件间的光电特性构效关系和耦合机制，发展新型探测机理和传感技术，研制出兼具高性能和高可靠性的近红外光电探测器。以此为核心元件，开发出一套脉搏血氧传感器可视化监测系统，实现了对血氧饱和度和心率的快速实时监测，性能指标和准确率均已达到了商用化水平，为发展下一代低成本、便携式、高灵敏生命健康监测设备提供了新策略。

光电探测器是一种重要的光学信息感知器件，它能直接将光信号转换成可调制的电信号。近红外(NIR)光电探测器作为一个重要分支，在遥感、智能农业和生物特征识别等领域有重要应用。目前，NIR光电探测器主要基于无机半导体，通常是Si和III-V化合物。然而，复杂和昂贵的制造工艺阻碍了它们的应用。为了解决这一问题，溶液处理的半导体，如有机聚合物、量子点和有机-无机卤化物钙钛矿(OIHPs)，已被证实是光电探测领域的竞争性候选材料。其中，OIHPs因其吸收系数高、带隙可调、激子结合能低、载流子迁移率大、载流子扩散长度长等优点，更具发展潜力。铅基钙钛矿光电探测器只能检测300 ~ 800 nm的波长，这阻碍了其在近红外领域的应用。为此，聚合物和有机量子点已被利用与钙钛矿结合来构建NIR光电探测器。然而，由于有机材料较低的电荷迁移率导致载流子输运不平衡，使得异质结接触处的光吸收损失和较差的电荷提取限制了外量子效率。前期研究我们已经证实，用Sn部分替代Pb组分可以直接拓宽Pb基钙钛矿对近红外区域的光谱响应，并降低Pb基钙钛矿的毒性。

但是，由于Sn²⁺对氧的敏感性，加上Sn空位形成能极低，共同诱发了p型掺杂。自掺杂导致了类金属行为，加速了载流子的复合。此外，Sn²⁺的高Lewis酸度导致的快速结晶过程会产生针孔和裂纹等不良的薄膜形貌，由此产生的缺陷位点存在于表界面，引起强烈的非辐射复合，导致器件性能一直难以提升。

针对上述难题，沈亮教授研究团队和合作者，提出了一种利用多功能添加剂4-氨基-2,3,5,6-四氟苯甲酸(ATFBA)锚定Sn-Pb钙钛矿的协同工程方法，构建高灵敏度和高稳定的近红外探测器。通过理论计算和实验表征，系统研究了钝化剂对Sn-Pb钙钛矿表面缺陷的影响。末端氨基和羧基通过氢键和螯合配位与Sn-Pb钙钛矿骨架相互作用，钝化钙钛矿上的缺陷，抑制Sn²⁺的氧化。全氟苯环结构由于其刚性结构和强的π共轭相互作用，使得钝化剂组装在晶界处。具有氟化单元的ATFBA钝化剂可以作为疏水保护屏障阻止水分子侵入。这些官能团的组合将协同钝化表面缺陷，减缓钙钛矿的降解。此外，ATFBA的加入提高了Sn-Pb钙钛矿的导带能级，有利于钙钛矿/电子传输层界面的高效电子提取和传输。如图一所示，ATFBA钝化的Sn-Pb钙钛矿光电探测器具有高而平坦的EQE光谱，在可见光范围内EQE超过80%，在近红外区域超过75%，在850 nm处具有高响应度（0.52 A W^-1）和高比探测率（5.34 ×10¹² Jones）。更引人注目的是，未封装的ATFBA近红外探测器显示出超过450天的遮蔽稳定性，并在光浸泡168 h后保持其原始响应率的73%，封装的器件在环境空气中1824 h后仍保持其初始响应率的92%，是目前已经报道的最稳定的同类探测器。我们将Sn-Pb钙钛矿近红外光电探测器作为核心元件，研制出脉搏血氧测量传感器可视化系统，表现出与商业光电探测器相当的灵敏度，展现出有潜力的应用前景。

图一：多功能钝化剂协同钝化锡铅钙钛矿及探测器性能和应用展示

相关的研究成果近期发表在Advanced Materials杂志上，文章第一作者为吉林大学博士研究生和丽鹃，通讯作者为吉林大学沈亮教授、香港理工大学黄海涛教授和范稞博士。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202210016