1. 首页
  2. 学术动态
  3. 原创文章

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

研究背景

覆盖可见和红外波段范围的宽谱光电探测器在成像、夜视以及光通信等领域中具有潜在的应用价值。过渡金属硫族化合物(TMDs)具有多样的光学和电学特性,目前已得到广泛研究。基于这类材料的各种光电探测器具有较高的光响应率和较快的光响应速度,但是由于其带隙普遍较大(1-2 eV),导致光电探测范围有限,特别是在1550 nm附近的近红外波段。

为了满足未来实际应用中不断增长的需求,二维材料范德华异质器件提供了新思路,其中p-n异质结光电探测器最具代表性。内置电场的存在可以有效并快速地分离光生载流子,使得p-n异质结可作为自驱动器件,兼具低功耗和节能的优点,非常适合极端条件。此外,得益于零偏压下相对较低的暗电流,此类光电检测器还具有检测弱信号的独特优势。因此,合理地选择材料进行器件构筑为接下来这一领域的研究提供了新思路。

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

成果介绍

有鉴于此,湖南大学集成光子材料与器件研究团队潘安练教授和李东教授(共同通讯作者)通过CVD范德华外延生长的方法将p型WSe2与n型Bi2Te3垂直堆垛成p-n异质结,制备出了高性能的自驱动宽谱光电探测器。基于p-n异质结的器件在黑暗中表现出明显的整流行为,并且在光照下具有出众的光伏特性,得益于异质结构的宽谱吸收,光探测范围从可见光扩展到近红外(375-1550 nm)。此外,由于在结区处有效的载流子分离过程,该器件还可以用作自驱动光电探测器,响应时间短(~210μs),响应率高(零偏压时,在633 nm下为20.5 A/W,在1550 nm下为27 mA/W)。文章近日以“Self-Powered Broad-band Photodetectors Based on Vertically Stacked WSe2/Bi2Te3 p-n Heterojunctions”为题发表在著名期刊ACS Nano上。

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

图文导读

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

图1. (a)WSe2/Bi2Te3垂直异质结的生长示意图。(b)不同Bi2Te3生长时间下的WSe2/Bi2Te3 p-n异质结的光学图像。(c)5分钟内,从步骤II得到的大面积WSe2/Bi2Te3异质结的光学图像。(d)WSe2/Bi2Te3异质结的XRD图。(e)纯WSe2和WSe2/Bi2Te3异质结的紫外-可见至近红外波段的吸收光谱。

图1a给出了WSe2/Bi2Te3垂直异质结的生长示意图,采用两步CVD法,首先在SiO2/Si衬底上生长单层三角形WSe2,随后在其上面上生长多层Bi2Te3,与SiO2/Si衬底上相比,WSe2对Bi2Te3前驱体具有更高的吸收能,异质结均匀地分布在衬底上,顶部Bi2Te3的尺寸会随生长时间而增加,在15分钟后可以获得完全覆盖的垂直异质结(图1b和c)。XRD图可以证明异质结组成结构和结晶性(图1d),与单独WSe2相比,异质结在整个探测范围内均表现出光吸收增强,表明在UV-NIR范围内具有更好的探测效果(图1e)。

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

图2. (a)转移后WSe2/Bi2Te3异质结的低放大倍数TEM图像。(b)四个元素Bi,Te,W和Se的元素成像。(c)在图a中标有1和2的两个不同位置的EDS能谱。(d)堆垛区域的SAED衍射斑点。(e)堆垛区域的HRTEM图像。(f)WSe2/Bi2Te3异质结的原子模型。

TEM结合EDS来分析WSe2/Bi2Te3异质结的微观结构和化学成分(图2a-c),结果都表明,在顶部Bi2Te3的气相生长过程中,底部WSe2不会诱导杂质原子。图2d给出了堆垛异质结区域的SAED衍射花样,可以清楚地识别出两套同方向的六边形对称衍射斑,分别对应于WSe2晶格(0.28 nm)和Bi2Te3晶格(0.22 nm)。图2e中堆垛区域的HRTEM图像显示出明显的摩尔条纹,与理论原子结构模型吻合(图2f),这可以归因于晶格堆垛,同时也表明异质结具有较高的晶体质量。

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

图3. (a)部分堆垛的WSe2/Bi2Te3异质结的典型SEM图像。(b)图a中对应得AFM图。(c)单独WSe2、Bi2Te3以及异质结的拉曼图谱。(d-e)选定的WSe2/Bi2Te3异质结的拉曼和PL成像。(f)垂直堆垛区域和单独WSe2区域的PL光谱。

利用拉曼光谱和光致发光(PL)光谱研究WSe2/Bi2Te3异质结的化学组成分布和局部光学性质,顶部Bi2Te3的厚度约为3.2 nm,底部WSe2的厚度约为0.8 nm(图3a和b)。不同区域的拉曼光谱和积分拉曼成像进一步验证了异质结组分的均匀性(图3c和d)。未覆盖的WSe2区域在766 nm处具有均匀分布的PL发光,表明其具有单层激子发射特性,而在异质结区域却表现出明显的PL猝灭,表明二者之间存在载流子转移,WSe2中的光生电子和空穴倾向于在Bi2Te3中转移到低能态(图3e和f)。

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

图4. (a)WSe2/Bi2Te3垂直p-n异质结的器件示意图。(b)器件的光学照片。(c)黑暗条件下p-n结的Ids-Vds曲线。(d)黑暗中和不同功率633 nm激光照射下p-n结的Ids-Vds曲线。(e)器件在不同激光功率密度下的电功率。(f)0和1 V偏压下,p-n结的光电流与功率密度的关系。(g)0和1 V偏压下,p-n结在不同光功率密度下的光响应性率。(h)在不同光功率密度下p-n结的光开关特性。(i)p-n结的光开关响应速度。

基于WSe2/Bi2Te3 p-n异质结,制备出器件研究其光电探测性能(图4a和b)。图4c中的Ids-Vds曲线显示出明显的p-n结整流特性,光电流随着光功率强度的增加而逐渐增加(图4d),并且在26.4 mW/cm2的功率密度下,最大开路电压可以达到0.25 V,最大输出电功率在输出工作电压为0.14 V时产生,此时的光电转换效率为4.39%(图4e)。在零偏和1 V偏置下,短路电流Isc和光电流Iph都随着入射光功率密度的增加而逐渐增加(图4f),图4g显示了WSe2/Bi2Te3 p-n光电探测器在不同功率密度下的响应率,零偏压下,在0.01 mW/cm2的入射功率密度下可获得最高的响应率(20.5 A/W),在1 V偏压下,可进一步将响应率提高到2100 A/W。图4h给出了光电流开关特性,上升和下降时间分别为180 μs和210 μs(图4i)。

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

图5. (a)在零偏压和相同光功率密度下,不同光波长(375、520、980和1550 nm)时p-n结的光响应。(b)在自驱动模式(插图)和偏置模式下对不同波长的光响应。(c)WSe2/Bi2Te3 p-n异质结与常规TMD和石墨烯的光响应性能比较。

图5a给出了在不同波长(375-1550 nm)的光照下器件的光电流响应,在520 nm波长时响应最强,这是因为异质结在带隙边缘附近具有较高的光吸收能力,而在较长波长处吸收较弱。图5b绘制了在偏压分别为0 V和1 V的情况下,光电探测器在不同波长的响应率,器件在自驱动模式和偏压模式下都对整个光谱范围都表现出明显的光响应性能。通过对比可以发现,基于TMD的光电探测器由于其自身带隙较大的限制了探测范围,而石墨烯由于其零带隙,光电探测的光响应和探测率都比较低,相比之下,WSe2/Bi2Te3 p-n异质结不仅光电探测范围宽,而且暗电流非常低,有望用于高灵敏度光电探测(图5c)。

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

总结与展望

本文通过两步CVD的方法构筑了垂直堆垛的WSe2/Bi2Te3 p-n异质结,具有高晶体质量和均匀性,观察到明显的整流行为,在633 nm的光照下可实现最大0.25 V的最大开路电压,使其适用于自驱动光电探测。此外,器件还具有宽谱光电探测性能,响应率高,响应时间短。本工作为范德华外延生长、异质结构筑以及高性能光电器件提供了一个新思路。

ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

文献信息

Self-Powered Broad-band Photodetectors Based on Vertically Stacked WSe2/Bi2Te3 p-n Heterojunctions(ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b07563)

文献链接:

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b07563


ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

清新电源投稿通道(Scan)


ACS Nano:基于垂直异质结的自驱动宽谱光电探测器

本站非明确注明的内容,皆来自转载,本文观点不代表清新电源立场。

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code