光源和檢測器是當今市場上無數(shù)技術(shù)設(shè)備的關(guān)鍵組件。例如，發(fā)光二極管（LED）通常用作顯示器和其他技術(shù)中的光源，而光電二極管則用于檢測傳感器、成像和光纖通信工具中的光。現(xiàn)有的光源和檢測器包括功能明顯不同的兩種不同類型的設(shè)備。然而，開發(fā)一種既可以產(chǎn)生光又可以檢測光的設(shè)備，就可以設(shè)計出更小巧、更智能的技術(shù)。瑞典林雪平大學(xué)，深圳大學(xué)和中國其他幾所大學(xué)的研究人員最近制造了一種能夠發(fā)射和檢測光的高效二極管。高效二極管的研究情況發(fā)表在《Nature Electronics》上，是采用固溶鈣鈦礦材料制成的。該研究的主要研究人員Feng Gao說：“如果我們有一個能夠有效發(fā)射和檢測光的雙功能設(shè)備，我們就可以使用一個設(shè)備來完成通常需要兩個常規(guī)設(shè)備的工作。這不僅可以減少設(shè)備成本，而且還可以促進光源和檢測器在光電芯片中的集成。”
在之前進行的一項研究中，Gao和他的同事們發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜中一種被稱為“鈍化效應(yīng)”的機制，而鈣鈦礦薄膜是用于制造LED的新興材料。然后，他們設(shè)計了一種高效的鈍化劑（即一種可以修復(fù)半導(dǎo)體缺陷的物質(zhì)），并用它來將近紅外鈣鈦礦LED的量子效率提高到21％以上。進行這項研究的研究人員之一Chunxiong Bao表示：“基于之前的工作，我們進一步研究了這些設(shè)備的光檢測功能，發(fā)現(xiàn)它們還顯示出了卓越的光電檢測性能。在最近的研究中，我們集中精力同時提高了鈣鈦礦基二極管的發(fā)光和檢測性能，證明了它們作為高效發(fā)光和檢測“二合一”設(shè)備的可行性。”Gao，Bao及其同事用來制造二極管的鈣鈦礦材料具有幾種獨特的光電性能。除了對于開發(fā)高性能LED而言是理想的高光致發(fā)光量子效率（PLQE）之外，該材料還具有高吸收系數(shù)，可以進行光檢測。該材料還表現(xiàn)出高的載流子遷移率，因此可用于制造各種厚度的薄膜。最后，研究人員觀察到鈣鈦礦的吸收光譜和光致發(fā)光光譜之間存在很大的重疊。這意味著該材料還可以吸收其自身發(fā)出的光。綜合所有這些特性，可以基于相同的平面結(jié)構(gòu)創(chuàng)建高性能的LED和光電檢測器。
換句話說，這些特性最終使Gao，Bao和他們的同事創(chuàng)造了一個既可以發(fā)射光又可以檢測光的設(shè)備。他們開發(fā)的二極管以超過21％的外部量子效率和亞皮瓦級的光檢測極限實現(xiàn)了發(fā)光。在發(fā)射和檢測光時，它還可以達到數(shù)十兆赫茲的運行速度，在每種功能上都表現(xiàn)的非常出色。此外，當將其用作檢測器時，該設(shè)備還對自身發(fā)出的光敏感。“對于傳統(tǒng)的溶液處理半導(dǎo)體來說，將其用作高性能雙功能器件非常具有挑戰(zhàn)性，” Bao解釋說。“以有機半導(dǎo)體和膠體量子點為例。有機半導(dǎo)體在吸收光譜和光致發(fā)光光譜之間始終表現(xiàn)出非常小的重疊，因此它們對同一材料發(fā)出的光表現(xiàn)出一周的吸收，而膠體量子點LED始終基于非常薄的量子點膜由于極低的載流子傳輸特性，因此其光吸收非常弱。”研究人員是最早引入鈣鈦礦基二極管的人之一，該二極管可以同時用作發(fā)光和光檢測裝置，在這些功能之間進行切換，同時在這兩種功能中均表現(xiàn)出色。他們開發(fā)的設(shè)備可以用于制造更小的電子設(shè)備，既可以用作光源也可以用作檢測器。Gao，Bao和其同事在論文中概述了該二極管的兩種可能的應(yīng)用，展示了如何將其用于構(gòu)建整體式心臟脈沖傳感器以及雙向光通信。
