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速度的室溫黑體敏感紅外光電探測器是紅外檢測應用的理想選擇，因為它們可以滿足大多數需求，包括醫療診斷、遙感、安全、通信和天氣預報。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、穩定性好、面內各向異性等特點，已成為構建紅外探測器的理想材料。通過溶液合成和化學氣相沉積（CVD）方法可以制備高質量的2D Te材料。2D Te本身可以構成基于光電導效應的探測器。此外，2D Te還可用于構建不同類型半導體的范德華異質結構，包括過渡金屬二硫族化合物（TMDs）、窄帶隙2D材料和傳統的3D半導體。這些異質結構誘導出內建場，從而產生自供電的光響應。盡管在2D Te相關的探測器這一領域已經產生了不少進展，但具有室溫黑體響應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波長范圍限制在<3.5 μm。基于2D Te的異質結構情況更糟：光響應截止波長通常低于2μm，因為與2D Te形成異質結構的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、超寬帶光響應譜、超快光響應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，中國科學院上海技術物理研究所陳效雙研究員、周靖研究員與中國計量大學光學與電子科技學院舒海波教授合作團隊提出了一種基于Te/PtSe2異質結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和超快響應速度。具有超寬帶和超快光響應的室溫黑體敏感紅外探測器是許多科學和技術領域的關鍵需求。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性的。在本研究中，利用異質結構的內建場、PtSe2的交叉導帶和價帶、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異質結構光探測器來應對這一挑戰。該器件在超寬的波長范圍（519 nm ~ 10 μm）內具有光響應性。在3.32 μm波長處，峰值響應率和比探測率分別達到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，對應于160kHz的3dB帶寬。該研究為高性能的室溫紅外探測的發展開辟了新的技術路徑。
圖文導讀
圖1展示了Te/PtSe2異質結構光電探測器的制備和表征。通過光學顯微鏡圖像，可以直觀地看到異質結構的布局。拉曼光譜圖證實了Te和PtSe2的高質量和異質結構中沒有雜質峰的存在。AFM和TEM圖像進一步揭示了Te和PtSe2層的厚度，以及它們之間清晰的界面，這些都是實現高性能光電探測的關鍵因素。
圖1. (a)-(b) Te/PtSe2異質結構紅外探測器示意圖及光學顯微鏡圖像。(c) 器件不同位置測量的拉曼光譜（由532 nm激光激發），測試位置分別對應于(b)圖中標記的(I), （II）和（III）。(d) 制備的Te /PtSe2異質結構器件的AFM圖像。(e) Te和PtSe2薄片厚度的AFM測量結果。測試區域對應于(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異質結的電學行為。Ids-Vds特性曲線表明了在不同光照條件下Te/PtSe2器件的電導特性，顯示出明顯的光響應。激光誘導的光電流圖譜結果進一步確認了光電流來源于兩種材料的接觸區域（即結區）。KPFM圖像揭示了Te和PtSe2之間的表面電勢差異，幫助我們構建了異質結能帶分布的情況。
圖2. (a)在黑暗狀態和不同光功率的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異質結構器件的激光誘導顯微光電流成像結果；光功率為0.55 μW。(d)Te /PtSe2異質結的KPFM圖像。Te的表面電位比PtSe2高約34 meV。(e, f) Te/PtSe2異質結構能帶圖，以及在波長小于3.54 μm (e)或大于3.54 μm (f)的光激發下的光電過程說明。Ebuilt-in表示內置電場。在傾斜帶結構中，藍色和紅色分別代表電子和空穴的占據。
圖3詳細表征了Te/PtSe2光電探測器的光探測性能。自驅動光電流波形展示了器件在寬光譜范圍內的響應能力。通過比較不同波長下的響應率，可以了解到器件在特定波長下的性能。光強度和偏壓依賴的響應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果則表明了Te/PtSe2光電探測器在實際應用中的高靈敏度潛力。
圖3. (a)寬光譜范圍內光照射下Te /PtSe2異質結構器件的自供電光電流波形。(b) Te /PtSe2器件與各種Te或PtSe2相關異質結構在780 nm以上波長范圍內截止波長和自供電最大紅外響應率的比較。(c)不同波長光的光強依賴性自供電光電流。(d)對不同波長光的偏置相關響應率。(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制頻率的變化。圖為器件在1.55 μm處的光響應波形。τrise 2.8 μs，τfall 2.5 μs。(h)在780nm以上波長范圍內，Te /PtSe2器件與各種Te或PtSe2相關異質結構在3dB帶寬和自供電最大紅外響應率方面的比較。(i) Te/PtSe2器件與其他低維光導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。自驅動黑體響應率和比探測率的結果展示了Te/PtSe2光電探測器在較寬的溫度范圍（750 K到1250 K）內具有靈敏的光響應。偏壓依賴的響應率測試進一步證實了在外加偏壓下器件性能會得到進一步提升，這為實際應用中的性能優化提供了重要信息。
圖4. (a)黑體光響應表征示意圖。(b) Te/PtSe2紅外探測器的自供電黑體響應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響應率。(d) 1V偏置下Te/PtSe2紅外探測器的黑體溫度相關響應率和比探測率。
總結
團隊制備了一個2D Te/PtSe2異質結光電探測器，可以在零偏壓和有偏置電壓下工作。該光電探測器可實現寬帶（519 nm ~ 10 μm）和快速（2.8μs）激光響應。由于其可忽略的勢壘，該光電探測器具有較低的異質界面復合概率，從而提高了其光響應。在自供電模式下，其響應率可達376.8 mA W?1，探測率可達4.0 × 108cm Hz1/2 W?1。在1V電壓下，其響應率可達196.8 A W?1，探測率可達4.3 × 109 cm Hz1/2 W?1。Te /PtSe2器件的最大增益可達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，超過大多數薄層器件。此外，該探測器還具有黑體響應能力。在零偏置電壓下，黑體響應率達到214.3 mA W?1，黑體探測率達到2.4 × 108 cm Hz1/2 W?1。在0.5 V偏置電壓下，黑體響應率提高到24.8 A W?1，黑體探測率達到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定。這些特點突顯了Te /PtSe2異質結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重點發表物理：應用、材料科學：綜合、納米科技相關方向的文章。
該期刊是一個跨學科論壇，在材料科學，物理學，電子和磁性材料工程領域進行同行評審，高質量，高影響力的研究。除了基礎研究外，它還包括電子和磁性材料、自旋電子學、電子學、器件物理學和工程學、微納機電系統和有機電子學的物理和物理性質的研究。期刊最新引文指標為0.9，最新影響因子為5.3（2023）。
