近期，電子科技大學(xué)陳超副研究員和王軍教授及其團(tuán)隊(duì)在Advanced Optical Materials期刊上發(fā)表了題為“High-Performance Visible to Near-Infrared Broadband Bi2O2Se Nanoribbon Photodetectors”的最新論文，文中構(gòu)建了Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)和低噪聲的寬光譜光電探測器，本研究為高性能可見光-近紅外（VIS-NIR）光電探測器的應(yīng)用提供了新的契機(jī)。
圖1 基于Bi2O2Se納米帶的光電探測器的光電性能（波長650nm）
低維硒氧鉍（Bi2O2Se）由于其合適的電子帶隙 (≈0.8eV）、高載流子遷移率（300K時(shí)≈450cm2V?1s?1）、良好的空氣穩(wěn)定性和環(huán)境無毒性，使其成為可見光–近紅外光電探測的理想選擇。然而，其高載流子濃度導(dǎo)致基于Bi2O2Se納米片的探測器存在較大暗電流。為了解決這個(gè)問題，此前的研究主要通過柵極電壓調(diào)節(jié)和構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)來限制暗電流。但施加極高的柵極電壓增加了器件的功耗，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)增加了工藝的復(fù)雜性。此外，所報(bào)道的Bi2O2Se光電探測器在近紅外波段較慢的響應(yīng)速度（毫秒級），限制了其在高速檢測中的應(yīng)用。
針對上述問題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au結(jié)構(gòu)，成功制備了高性能的光電探測器：通過納米帶結(jié)構(gòu)極大地限制器件的暗電流，Au/Bi2O2Se之間的肖特基勢壘極大地提升光響應(yīng)速度。具體而言，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）可控制備了不同寬度的Bi2O2Se納米晶體。相比于納米片（寬度W>5μm）結(jié)構(gòu)，納米線（W<1μm）和納米帶（1μm<W<5μm）結(jié)構(gòu)需要更低的沉積溫度和壓強(qiáng)，同時(shí)它們的生長取向僅存在三個(gè)角度（互為60°），這與云母襯底K原子對Se原子因靜電作用而產(chǎn)生的約束相關(guān)。基于不同寬度Bi2O2Se納米晶體制備了光電導(dǎo)探測器，寬度分別為0.5μm、3μm和18μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了寬度為3μm的納米帶光電導(dǎo)器件擁有更好的探測性能：納米帶探測器的暗電流相比納米片探測器下降四個(gè)數(shù)量級，而亮電流僅下降一個(gè)數(shù)量級。即納米帶器件的信噪比比納米片器件高三個(gè)數(shù)量級。而對于納米線器件，在暗電流下降的同時(shí)引起了光電流的急劇下降，對器件性能提升不大。因此，Bi2O2Se納米帶被認(rèn)為是更有可能實(shí)現(xiàn)高性能探測的材料平臺(tái)。此外，通過Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了肖特基接觸，團(tuán)隊(duì)極大地提升了光電探測器的響應(yīng)速度。得益于肖特基勢壘區(qū)高強(qiáng)度電場，產(chǎn)生在這一局部區(qū)域地光生載流子迅速漂移至電極形成光生電流，這要比歐姆接觸型器件中均一分布的電場擁有更高的載流子解離效率和漂移速度。提出的基于Bi2O2Se納米帶的光電探測器在405nm-1550nm波段表現(xiàn)出較好的探測性能。更具體地說，當(dāng)波長為650nm和1550nm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間分別為2.1μs和313μs，相應(yīng)的最佳探測率分別為3.28×1013Jones和8.07×10?Jones。此外，該器件達(dá)到81kHz的-3dB帶寬，當(dāng)波長為650nm時(shí)，在5V偏壓下表現(xiàn)出3.2×10?AW?1的響應(yīng)度。綜上所述，本研究為高性能可見光-近紅外光電探測器的應(yīng)用提供了新的契機(jī)。
圖2 基于Bi2O2Se納米帶的光電探測器的響應(yīng)速度和頻率特性（波長650nm）
圖3 基于Bi2O2Se納米帶的光電探測器在寬光譜范圍內(nèi)的光電響應(yīng)
論文第一作者為電子科技大學(xué)碩士生魏于超，通訊作者為其導(dǎo)師陳超副研究員和王軍教授，此研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61922022, 61875031, 62104026）支持。
論文信息：
https://doi.org/10.1002/adom.202201396
