近日，南京航空航天大学物理学院光电功能材料器件与物理团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一项研究成果“Ultrawide‐Bandgap Rb2AgCl3 Perovskite Single Crystals Enabling Self‐Powered Solar‐Blind UV Polarization-Sensitive Photodetection for Intelligent Imaging and Encryption”，文章第一作者为翟亚林博士，通讯作者为施大宁教授和姜明明研究员。研究团队通过空间限域冷却辅助结晶法，成功生长出具有一维链状结构的Rb2AgCl3钙钛矿单晶，该晶体拥有4.83 eV的超宽带隙和高达934 K的优异热稳定性。基于该单晶构建的肖特基结自供电日盲紫外探测器，在255 nm光照下实现了0.2 A/W的响应度、3.46×1012 Jones的比探测率、96%的外量子效率以及7.9/17.5 µs的超快响应速度，特别是其偏振探测能力的二向色比高达15.8，创下钙钛矿基器件的新纪录。研究表明，这种优异的偏振灵敏度主要源于其本征的一维链状晶格结构所导致的强烈面内光学各向异性。基于该探测器的优异性能，团队进一步将其集成至卷积神经网络图像识别系统，识别准确率超过99%，并构建了6×6阵列加密演示系统，验证了其在智能成像与信息安全领域的应用潜力。该工作不仅发现了Rb2AgCl3作为新一代日盲紫外偏振敏感探测材料的巨大潜力，也为低维铅-free钙钛矿材料从传统宽禁带半导体的替代品跃升为有力竞争者提供了重要范例。
研究背景
太阳盲紫外（200–280 nm）偏振探测在保密通信、导弹告警等场景中具有不可替代的价值，然而传统基于强度标量的光学感知在复杂低背景环境中已逼近信息提取极限。偏振维度作为光场尚未被充分开发的自由度，为突破这一瓶颈提供了物理契机。当前主流方案依赖外置偏振元件或超表面，不仅阻碍器件小型化与片上集成，还引入寄生损耗与功率效率问题。因此，研发具备各向异性的超宽带隙（Eg> 4.0 eV）半导体成为理想选择。但传统无机材料如β-Ga2O3、h-BN、金刚石等，虽稳定性优异、生长工艺成熟，其高晶格对称性天然压制面内光学各向异性，而通过应变、掺杂或纳米图案化引入各向异性又常伴生缺陷态与载流子输运退化。金属卤化物钙钛矿，特别是低维铜/银基无铅体系，因结构多样性与溶液加工性而受到关注，但迄今其带隙多低于4.4 eV，偏振二向色比普遍小于10，且器件综合性能远逊于传统超宽带隙半导体，难以满足智能光电子对自供能、高灵敏与强偏振分辨的协同需求。
制约该领域发展的核心矛盾可归结为三点：其一，如何在同一材料体系中同时实现高于4.4 eV的带隙、强烈的本征面内各向异性以及优异的热/化学稳定性，从而摆脱对传统高对称性材料的依赖；其二，在器件层面，如何在不引入外部偏振元件的条件下，获得可与甚至超越主流超宽带隙半导体（如Ga2O3基器件）媲美的响应度、探测率、响应速度和二向色比，同时实现自供能工作模式；其三，如何从单点探测器拓展至阵列成像与智能信息处理，将物理层面的偏振敏感特性有效转化为实际场景中的高保真图像、高精度识别以及硬件级加密能力，而这些功能在现有无铅钙钛矿体系中尚属空白。上述问题的本质在于低维钙钛矿的电子能带结构、激子动力学与晶格各向异性之间的深层耦合机制尚未被充分揭示，更缺乏从材料设计到器件工程再到系统集成的贯通性解决方案。
成果介绍
针对上述挑战，本研究从材料本征物性出发，贯通了“超宽带隙-强各向异性-高性能自供能探测-智能图像处理与硬件加密”的全链条，将低维无铅钙钛矿从“替代品”提升至“有力竞争者”的新高度，为下一代智能太阳盲光电子学提供了变革性平台。本论文主要的创新性研究成果总结如下：
（1）本课题组生长的高质量一维Rb2AgCl3单晶材料属于正交晶系Pmna空间群，由角共享[AgCl4]四面体构成沿c轴延伸的一维[AgCl3]2-阴离子链，Rb+阳离子分布于链间实验测得带隙达4.83 eV，满足日盲探测本征需求。电荷密度波函数等值面分析揭示载流子高度局域于[AgCl3]2-单元内，沿一维方向由Rb+离子隔离，形成“光活性核-隔离壳”的天然量子限域结构，展现出卓越的环境稳定性，偏振分辨吸收光谱与角分辨偏振拉曼光谱进一步证实了Rb2AgCl3单晶的面内光学各向异性，为偏振敏感探测奠定了结构物理基础；
（2）基于Rb2AgCl3单晶构筑了Au/Rb2AgCl3/GaInSn非对称电极肖特基结器件，实现零偏压下的自驱动工作模式。在255 nm光照下，该器件取得了创纪录的综合性能：响应度0.2 A/W、比探测率3.46×1012 Jones、外量子效率96%、响应速度7.9/17.5 μs。尤为重要的是，其偏振二向色比高达15.8，不仅超越所有已报道钙钛矿基偏振探测器，更优于β-Ga2O3、h-BN等传统UWBG器件；
（3）在构筑的器件中，Au与Rb2AgCl3形成肖特基接触，而GaInSn与Rb2AgCl3形成类欧姆接触，两者功函数差异在器件内建立强内建电场，使得光生载流子能够沿一维链发生超快分离、传输和收集（时间尺度短于自陷俘过程），而STE复合仅作为自由载流子未被抽取后的辐射复合通道，二者相互竞争而非因果关联，这一物理图像澄清了低维卤化物中“强局域激子与快响应不可兼得”的认知误区；
（4）该器件在日盲紫外通信中实现了“PVSK”信号的偏振编码传输。基于6×6扫描成像系统，研究者进一步开展了两项智能化应用验证：其一，将255 nm与365 nm照明下获取的偏振图像导入CNN进行训练与分类，255 nm通道凭借高响应度与高信噪比，仅需29个训练周期即达>99%识别准确率，较365 nm通道所需周期减少约50%，显著降低训练能耗；其二，利用阵列中36个像素点暗电流与光电流的本征涨落提取PUF密钥（Hamming权重0.512与0.497，唯一性0.509与0.501，Shannon熵值>0.97），结合Vernam流密码实现图像的硬件级加密与解密，为物联网边缘设备的信息安全提供了新型物理熵源方案。
图1. 发展了一种全新的空间限域辅助冷却结晶法生长了一维Rb2AgCl3非铅金属卤素钙钛矿低维单晶材料，并展开了材料特性表征。
图2. Rb2AgCl3单晶钙钛矿材料的测试与表征，实现了超宽禁带和面内各向异性的兼容。
图3. 优异的热稳定性（热分解温度高达934 K）。
图4. 构筑了Au/Rb2AgCl3/GaInSn非对称的肖特基日盲波段偏振敏感型自驱动光电探测器。
图5. 基于Au/Rb2AgCl3/GaInSn紫外日盲偏振探测器在日盲紫外通信中实现了“PVSK”信号的偏振编码传输。
图6. 基于6×6扫描成像阵列提取物理不可克隆函数密钥，建立了图像加密/解密原型系统。
总结展望
本文报道的Rb2AgCl3单晶及其自供电日盲紫外偏振探测器，代表了低维无铅钙钛矿在宽禁带半导体领域的一次范式突破。该材料以4.83 eV的超宽带隙、934 K的热稳定性及本征结构各向异性，克服了传统UWBG半导体（如Ga2O3、h-BN）因高对称性所致的偏振响应不足，同时解决了Cu/Ag基卤化物钙钛矿带隙偏窄、二色性比偏低等瓶颈。所构建的肖特基结器件在255 nm处实现了0.2 A/W的响应度、3.46×1012 Jones的比探测率、96%的外量子效率及7.9/17.5 μs的快速响应，特别是二色性比达到15.8，创下同类器件纪录。这些指标不仅超越所有已知钙钛矿基日盲探测器，甚至优于部分商用宽禁带半导体器件，标志着无铅钙钛矿正式由“替代材料”跃升为“竞争材料”。更深远的意义在于，该工作展示了从材料设计、物理机制到智能应用的完整链条：通过构建6×6阵列与CNN图像识别系统，实现了高保真偏振成像与基于PUF的硬件级加密，为未来集成化、智能化光电子系统提供了全新范式。展望未来，本体系仍需在晶圆级均匀生长、阵列串扰抑制及CMOS兼容工艺等方面持续推进，但其兼具光谱选择性、偏振灵敏度、自供能操作和快速响应的综合优势，已为日盲紫外探测从单纯光子探测向智能感知与信息处理一体化演化奠定了坚实基础。
文献链接
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77326
