近日，山东大学刘董、武中臣合作团队在稀土元素掺杂钙钛矿单晶可控合成与高性能紫外光电探测器研发领域取得新进展，成功生长不同比例稀土钕（Nd）均匀掺杂的高质量钙钛矿单晶，并制备出性能优异的钙钛矿单晶紫外光电探测器。相关成果以“Nd³⁺-Doped MAPbBr₃Perovskite Single Crystals for High-Performance Ultraviolet Photodetectors”为题，在线发表于国际期刊Journal of Materials Chemistry C，张淑艺为独立第一作者，刘董和武中臣为共同通讯作者，合作者包括陈耀、王书荣、姜显园、王浩等，山东大学为该成果的独立通讯单位。

金属卤化物钙钛矿材料凭借优异的光电性能、可调控的组分结构与简单的制备工艺，已成为光电探测领域极具应用前景的半导体材料。其中，MAPbBr₃钙钛矿单晶具备载流子迁移率高、光吸收性能优异等独特优势，在紫外光电探测器应用方面具有巨大潜力。稀土离子因电子构型丰富、离子半径适配性良好，是钙钛矿材料理想的掺杂剂，可实现晶格均匀掺杂，有效优化钙钛矿材料的光电性能。

当前，将稀土离子高效、均匀掺杂至MAPbBr₃单晶晶格中，一直是该领域亟待攻克的技术难题。传统多晶薄膜存在配位环境复杂、晶界缺陷较多等问题，严重制约了稀土掺杂效果与钙钛矿紫外探测器件性能提升。为此，研究团队选取离子半径适配的稀土Nd作为掺杂剂，成功合成不同Nd³⁺浓度均匀掺杂的MAPbBr₃单晶，有效规避了多晶薄膜晶界效应与复杂配位环境的干扰。

此外，团队基于Nd³⁺掺杂MAPbBr₃单晶的溶液生长实验，探究了晶体生长动力学规律与材料光电特性演变机制。结果表明，Nd³⁺的引入可有效调控前驱体配位环境、增强晶体结晶驱动力，实现离子在晶格中的均匀分布，最终制备出晶格轻微收缩、结晶质量优异的钙钛矿单晶。器件测试结果显示，相较于纯MAPbBr₃单晶器件，5%比例Nd³⁺掺杂MAPbBr₃紫外光电探测器在365 nm紫外波段的光响应性能实现显著提升。在1 V偏压下，Nd³⁺掺杂MAPbBr₃器件暗电流低至13.6 nA，载流子迁移率与寿命乘积（μτ）可达2.33 × 10^–3cm²·V^–1；在0.5 V偏压下，开关比高达410，同时响应度与探测率等核心关键指标均得到有效提升，展现出低噪声、高灵敏的优异紫外探测性能。

该研究工作成功合成了不同浓度的Nd³⁺掺杂MAPbBr₃单晶，实现了高性能MAPbBr₃基紫外光电探测器的设计优化与性能提升。相关研究工作得到了山东省自然科学基金重大基础研究项目（ZR2026ZD25）、山东省博士后创新基金项目（SDCXZG202503027）等资助。

图1.(a) MAPbBr₃-Ndx (x=0, 2, 5, 8)前驱体溶液；(b)溶液的升温过程；(c)不同类型前驱体溶液的拉曼光谱；(d) MAPbBr₃-Ndx (x=0, 2, 5, 8)溶液的拉曼光谱。

图2.(a)晶体成核示意图；(b) MAPbBr₃和MAPbBr₃:Nd³⁺单晶晶核生长的光学图像。

图3.(a) MAPbBr₃:Nd³⁺(5%)的EPMA图像；XRD图谱：(b) MAPbBr₃和MAPbBr₃:Nd³⁺(2%, 5%, 8%)单晶粉末；(c)单晶粉末(100)晶面的放大图；(d) MAPbBr₃:Nd³⁺(5%)单晶粉末和单晶；(e) MAPbBr₃:Nd³⁺(5%)单晶的照片。

图4.(a)平面光电探测器结构示意图；(b)暗电流和(c)光电流的I-V曲线；(d)载流子寿命乘积(μτ)；(e) 1 V和(f) 5 V偏压下不同光功率密度的光电流。

图5.器件I-T曲线：(a)MAPbBr₃；(b)MAPbBr₃:Nd³⁺(5%)探测器；MAPbBr₃和MAPbBr₃:Nd³⁺(5%)探测器在2 V偏压下的(c)响应度和(d)比探测率。

作者：张淑艺