南京大学 AFM: 基于二维Bi2O2Se纳米片的高灵敏和超宽带光电晶体管

【背景介绍】

如今，包含紫外光（UV）、可见光（Vis）和近红外（NIR）的宽光谱响应光电晶体管被广泛用光电领域。虽然常用的石墨烯、过渡金属二卤化物（TMD）、黑磷（BP）和InSe等2D材料被大量用于光电晶体管，但是它们都有各自的优缺点。石墨烯具有无间隙性质而在很宽的光谱范围内与光子有很强的相互作用，但是单层碳原子相对较低的吸收率限制了其光响应性（R）。TMD具有出色的R，但它们的响应速度很慢。BP和InSe具有出色的宽带光电性能，但是它们在周围环境中的不稳定性阻碍了它们的应用。众所周知，理想的光电晶体管应具有响应速度快，在宽光谱范围内具有高灵敏度和空气稳定性。显然，目前常用的2D材料无法达到。近年来，具有良好性能且空气稳定的层状Bi₂O₂Se是一种很有前途的新型2D半导体。通过磁传输测量发现2D Bi₂O₂Se表现出很强的自旋轨道相互作用，同时在2 K时保持约28900 cm₂V^-1s^-1的高迁移率。虽然基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管（FETs）具有出色的电流开/关比，及近乎理想的亚阈值摆幅，但是目前很少评估覆盖UV、Vis、NIR光谱范围的Bi₂O₂Se光电晶体管的光子检测性能。

【成果简介】

近日，南京大学的徐永兵教授、张荣教授、王学峰教授、王枫秋和中科院上海技术物理研究所的Weida Hu（共同通讯作者）联合报道了一种具有高光敏响应（R）的宽频带光电晶体管，该晶体管由高质量的大面积Bi₂O₂Se纳米片组成。该装置包括了室温下的UV、Vis和NIR波长范围，其中在360 nm处最大R为108696 A W^-1。在405 nm光照下，该器件的外量子效率、R和探测率（D*）分别达到1.5×107%、50055 A W^-1和8.2×10¹²Jones。在这些2D Bi₂O₂Se光电晶体管中同时实现高灵敏度、快速响应和高稳定性，非常有助于在高质量的UV和IR成像领域的应用。该研究成果以题为“Sensitive and Ultrabroadband Phototransistor Based on Two-Dimensional Bi₂O₂Se Nanosheets”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、CVD合成Bi₂O₂Se及其表征
（a）用Bi₂Se₃和Bi₂O₃的共蒸发在云母上合成Bi₂O₂Se纳米片的改进CVD方法的示意图；

（b）在云母上合成的2D Bi₂O₂Se纳米片的典型光学显微镜图像；

（c）生长中的Bi₂O₂Se的AFM形貌；

（d）Bi₂O₂Se纳米片的HAADF图像和插入物中描述的相应快速傅里叶变换（FFT）；

（e-h）（e）Bi₂O₂Se纳米片的HAADF图像以及（f）Bi、（g）O和（h）Se的相应元素图；

（i-k）Bi₂O₂Se纳米片的XPS光谱。

图二、顶栅Bi₂O₂Se光电晶体管在405 nm波长处的光电特性
（a）云母上的顶栅Bi₂O₂Se光电晶体管的示意图；

（b）具有不同光功率的设备的顶栅传输曲线（I_ds-VG）；

（c）顶栅Bi₂O₂Se器件的R和I_ph相对于不同的光学照明功率密度；

（d）在405 nm的激光照射下设备的EQE；

（e）Bi₂O₂Se的时间分辨光响应；

（f）归一化的光响应与光调制频率的关系。

图三、顶栅Bi₂O₂Se光电晶体管的可调光响应
（a）在不同的顶栅电压下，光电晶体管的时间响应；

（b-c）提出了基于能带的示意性机理来解释观察结果。

图四、宽光谱范围内的光电响应和载流子动力学
（a）R是在360、405、532、808、1310和1550 nm波长处入射光功率的函数；

（b）从顶部栅极Bi₂O₂Se器件的UV波段到NIR波段的光谱R；

（c）在360 nm波长下R具有不同的入射功率和VG偏置的依赖性；

（d）Bi₂O₂Se在1550 nm处的时间分辨光响应。

图五、940 nm下的光电流映射和能带图
（a-g）Bi₂O₂Se器件在940 nm连续激光照射下在不同偏压下的光电流图像；

（h-n）不同偏压下半导体Bi₂O₂Se的能带图。

图六、成像测量中的紫外线波长和稳定性测试
（a）单像素成像配置；

（b）使用单像素成像技术对“南京大学”进行紫外线成像；

（c）Bi₂O₂Se器件在制造的环境条件下以及两个月后在1310 nm波长下的光响应。

【总结】

综上所述，作者利用改进的CVD方法生长的高质量大面积的Bi₂O₂Se纳米片，制备出了Bi₂O₂Se光电晶体管。该装置的光检测波长覆盖了UV-NIR（360-1800 nm）波长范围，在360 nm处R达到108696 A W-1（目前最高值）。在405 nm的光照下，EQE接近1.5×107%，是目前已报道的2D半导体中的新记录，大约比其他化学气相沉积的2D半导体高出两个数量级。Bi₂O₂Se纳米片具有良好的光电特性，不仅是制造先进的光学传感器件和低功耗场效应晶体管的有价值的候选材料，而且是制造集成电路的有效元件。

文献链接：Sensitive and Ultrabroadband Phototransistor Based on Two-Dimensional Bi₂O₂Se Nanosheets（Adv. Funct. Mater.,2019, DOI: 10.1002/adfm.201905806）

本文由CQR编译。

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