作者列表：Zhiyuan Dai, Yu Yu, Haibiao Guan, Ruowen Wang, T ao Ye, Yonghao Bu, Jie Deng, Mengdie Shi, Rui Xin, Tianxin Li, Haibo Shu,* Xiaoshuang Chen,* and Jing Zhou*DOI: 10.1002/aelm.202400268
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aelm.20240026
研究背景
具有超寬帶和超快光響應(yīng)速度的室溫黑體敏感紅外光電探測器是紅外檢測應(yīng)用的理想選擇，因為它們可以滿足大多數(shù)需求，包括醫(yī)療診斷、遙感、安全、通信和天氣預(yù)報。然而，對于紅外探測器來說，同時具備上述特性是具有挑戰(zhàn)性的。近年來，二維碲烯（2D Te）作為一種窄帶隙（0.35-1.04 eV）材料，具有載流子遷移率高、光吸收強(qiáng)、穩(wěn)定性好、面內(nèi)各向異性等特點，已成為構(gòu)建紅外探測器的理想材料。通過溶液合成和化學(xué)氣相沉積（CVD）方法可以制備高質(zhì)量的2D Te材料。2D Te本身可以構(gòu)成基于光電導(dǎo)效應(yīng)的探測器。此外，2D Te還可用于構(gòu)建不同類型半導(dǎo)體的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括過渡金屬二硫族化合物（TMDs）、窄帶隙2D材料和傳統(tǒng)的3D半導(dǎo)體。這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)出內(nèi)建場，從而產(chǎn)生自供電的光響應(yīng)。盡管在2D Te相關(guān)的探測器這一領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了不少進(jìn)展，但具有室溫黑體響應(yīng)的二維碲烯光電探測器的報道很少。此外，由于2D Te的帶隙，2D Te光電探測器的光響應(yīng)波長范圍限制在<3.5 μm。基于2D Te的異質(zhì)結(jié)構(gòu)情況更糟：光響應(yīng)截止波長通常低于2μm，因為與2D Te形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的TMDs通常具有更大的帶隙。此外，基于2D Te光電探測器的工作帶寬在幾百赫茲以下，最大的只有幾kHz。因此，目前基于2D Te的紅外探測器與具有室溫工作、黑體靈敏度、超寬帶光響應(yīng)譜、超快光響應(yīng)速度等特點的理想的通用紅外探測器還有很大距離。
文章概述
近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陳效雙研究員、周靖研究員與中國計量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院舒海波教授合作團(tuán)隊提出了一種基于Te/PtSe2異質(zhì)結(jié)的室溫黑體敏感光電探測器，具有可見到長波紅外的光響應(yīng)和超快響應(yīng)速度。具有超寬帶和超快光響應(yīng)的室溫黑體敏感紅外探測器是許多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵需求。然而，對于紅外探測器來說，同時具備上述所有特性是具有挑戰(zhàn)性的。在本研究中，利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)建場、PtSe2的交叉導(dǎo)帶和價帶、Te和PtSe2兩種材料的高遷移率，以及較高的光增益，建立了室溫Te/PtSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。該器件在超寬的波長范圍（519 nm ~ 10 μm）內(nèi)具有光響應(yīng)性。在3.32 μm波長處，峰值響應(yīng)率和比探測率分別達(dá)到196.8 A W?1和4.3 × 109cm Hz1/2 W?1。該器件還具有黑體敏感性，黑體響應(yīng)率為24.8 A W?1，黑體比探測率為7.4 ×108 cm Hz1/2 W?1。此外，該器件還具備超快的光響應(yīng)，對應(yīng)于160kHz的3dB帶寬。該研究為高性能的室溫紅外探測的發(fā)展開辟了新的技術(shù)路徑。
圖文導(dǎo)讀
圖1展示了Te/PtSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器的制備和表征。通過光學(xué)顯微鏡圖像，可以直觀地看到異質(zhì)結(jié)構(gòu)的布局。拉曼光譜圖證實了Te和PtSe2的高質(zhì)量和異質(zhì)結(jié)構(gòu)中沒有雜質(zhì)峰的存在。AFM和TEM圖像進(jìn)一步揭示了Te和PtSe2層的厚度，以及它們之間清晰的界面，這些都是實現(xiàn)高性能光電探測的關(guān)鍵因素。
圖1. (a)-(b) Te/PtSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)紅外探測器示意圖及光學(xué)顯微鏡圖像。(c) 器件不同位置測量的拉曼光譜（由532 nm激光激發(fā)），測試位置分別對應(yīng)于(b)圖中標(biāo)記的(I), （II）和（III）。(d) 制備的Te /PtSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的AFM圖像。(e) Te和PtSe2薄片厚度的AFM測量結(jié)果。測試區(qū)域?qū)?yīng)于(d)圖中兩條虛線。(f) Te/PtSe2界面的高分辨率橫截面TEM圖像。
圖2展示了Te/PtSe2異質(zhì)結(jié)的電學(xué)行為。Ids-Vds特性曲線表明了在不同光照條件下Te/PtSe2器件的電導(dǎo)特性，顯示出明顯的光響應(yīng)。激光誘導(dǎo)的光電流圖譜結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)了光電流來源于兩種材料的接觸區(qū)域（即結(jié)區(qū)）。KPFM圖像揭示了Te和PtSe2之間的表面電勢差異，幫助我們構(gòu)建了異質(zhì)結(jié)能帶分布的情況。
圖2. (a)在黑暗狀態(tài)和不同光功率的1.55 μm激光照射下的Te/PtSe2器件Ids-Vds特性曲線。(b) 放大Vds = 0 V附近的Ids-Vds特性曲線。(c) 1.55 μm激光照射下Vds = 0 V下Te/PtSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的激光誘導(dǎo)顯微光電流成像結(jié)果；光功率為0.55 μW。(d)Te /PtSe2異質(zhì)結(jié)的KPFM圖像。Te的表面電位比PtSe2高約34 meV。(e, f) Te/PtSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶圖，以及在波長小于3.54 μm (e)或大于3.54 μm (f)的光激發(fā)下的光電過程說明。Ebuilt-in表示內(nèi)置電場。在傾斜帶結(jié)構(gòu)中，藍(lán)色和紅色分別代表電子和空穴的占據(jù)。
圖3詳細(xì)表征了Te/PtSe2光電探測器的光探測性能。自驅(qū)動光電流波形展示了器件在寬光譜范圍內(nèi)的響應(yīng)能力。通過比較不同波長下的響應(yīng)率，可以了解到器件在特定波長下的性能。光強(qiáng)度和偏壓依賴的響應(yīng)率測試揭示了器件在不同操作條件下的性能變化。噪聲電流譜和比探測率的測量結(jié)果則表明了Te/PtSe2光電探測器在實際應(yīng)用中的高靈敏度潛力。
圖3. (a)寬光譜范圍內(nèi)光照射下Te /PtSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的自供電光電流波形。(b) Te /PtSe2器件與各種Te或PtSe2相關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)在780 nm以上波長范圍內(nèi)截止波長和自供電最大紅外響應(yīng)率的比較。(c)不同波長光的光強(qiáng)依賴性自供電光電流。(d)對不同波長光的偏置相關(guān)響應(yīng)率。(e) Te/ PtSe2器件在0、0.5、1、1.5、2V偏置電壓下的噪聲電流譜。(f) Te/PtSe2紅外探測器在不同波長激光（帶和不帶偏置電壓）下的比探測率。(g)在633 nm、1.55 μm和3.32 μm激光下Te/PtSe2器件的歸一化自供電光電流隨調(diào)制頻率的變化。圖為器件在1.55 μm處的光響應(yīng)波形。τrise 2.8 μs，τfall 2.5 μs。(h)在780nm以上波長范圍內(nèi)，Te /PtSe2器件與各種Te或PtSe2相關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)在3dB帶寬和自供電最大紅外響應(yīng)率方面的比較。(i) Te/PtSe2器件與其他低維光導(dǎo)器件增益帶寬積的比較，灰線表示已建立的薄膜紅外光電探測器的GBP。
圖4展示了Te/PtSe2光電探測器的黑體響應(yīng)性能。通過使用不同溫度的黑體光源，研究了器件在模擬實際熱輻射條件下的性能。自驅(qū)動黑體響應(yīng)率和比探測率的結(jié)果展示了Te/PtSe2光電探測器在較寬的溫度范圍（750 K到1250 K）內(nèi)具有靈敏的光響應(yīng)。偏壓依賴的響應(yīng)率測試進(jìn)一步證實了在外加偏壓下器件性能會得到進(jìn)一步提升，這為實際應(yīng)用中的性能優(yōu)化提供了重要信息。
圖4. (a)黑體光響應(yīng)表征示意圖。(b) Te/PtSe2紅外探測器的自供電黑體響應(yīng)率和比探測率隨黑體溫度的變化。(c) 1268K黑體輻照下的偏壓相關(guān)響應(yīng)率。(d) 1V偏置下Te/PtSe2紅外探測器的黑體溫度相關(guān)響應(yīng)率和比探測率。
總結(jié)
團(tuán)隊制備了一個2D Te/PtSe2異質(zhì)結(jié)光電探測器，可以在零偏壓和有偏置電壓下工作。該光電探測器可實現(xiàn)寬帶（519 nm ~ 10 μm）和快速（2.8μs）激光響應(yīng)。由于其可忽略的勢壘，該光電探測器具有較低的異質(zhì)界面復(fù)合概率，從而提高了其光響應(yīng)。在自供電模式下，其響應(yīng)率可達(dá)376.8 mA W?1，探測率可達(dá)4.0 × 108cm Hz1/2 W?1。在1V電壓下，其響應(yīng)率可達(dá)196.8 A W?1，探測率可達(dá)4.3 × 109 cm Hz1/2 W?1。Te /PtSe2器件的最大增益可達(dá)4.4 × 103，而3dB帶寬保持在較高水平（160 kHz），增益帶寬積為1.8 × 109，超過大多數(shù)薄層器件。此外，該探測器還具有黑體響應(yīng)能力。在零偏置電壓下，黑體響應(yīng)率達(dá)到214.3 mA W?1，黑體探測率達(dá)到2.4 × 108 cm Hz1/2 W?1。在0.5 V偏置電壓下，黑體響應(yīng)率提高到24.8 A W?1，黑體探測率達(dá)到7.4 × 108 cm Hz1/2 W?1。器件的偏振消光比約為2.7。最后，Te /PtSe2器件可以在室溫下長時間保持穩(wěn)定。這些特點突顯了Te /PtSe2異質(zhì)結(jié)光電探測器在室溫紅外探測方面具有高靈敏度和快速光響應(yīng)的巨大潛力。該研究為可見光到長紅外探測提供了新的可能性。
期刊簡介
期刊Advanced Electronic Materials重點發(fā)表物理：應(yīng)用、材料科學(xué)：綜合、納米科技相關(guān)方向的文章。
該期刊是一個跨學(xué)科論壇，在材料科學(xué)，物理學(xué)，電子和磁性材料工程領(lǐng)域進(jìn)行同行評審，高質(zhì)量，高影響力的研究。除了基礎(chǔ)研究外，它還包括電子和磁性材料、自旋電子學(xué)、電子學(xué)、器件物理學(xué)和工程學(xué)、微納機(jī)電系統(tǒng)和有機(jī)電子學(xué)的物理和物理性質(zhì)的研究。期刊最新引文指標(biāo)為0.9，最新影響因子為5.3（2023）。
