AFM内页封底论文：基于黑磷纳米片的自供电光探测器构筑与性能

【引言】

光探测器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，其在诸多领域都有着广泛的应用。在半导体光电子领域，二维过渡族金属硫族化合物因其独特的层状结构以及光电性质而被用于光电探测器的研究。然而，较低的电输运性能以及有限的能带变化范围极大的限制了其在光电探测领域的实际应用。

近日，黑磷作为一种半导体性的范德华层状材料展现出高的载流子迁移率、各向异性的光电特性、可调控的直接带隙以及高的开关比，因此被人们认为是制造光探测器的理想材料之一。同时，研究表明减小层状材料的厚度能够有效提高材料的电输运性能，改善能带结构并有利于提升材料的光探测能力，所以少层黑磷纳米片在光电领域具有极大的应用价值。尽管如此，黑磷纳米片暴露在空气中时会不可避免地遭受氧化损害，这极大地阻碍了其应用开发。为此，将黑磷纳米片运用在光探测领域同时保证其稳定性对高性能光探测器的发展具有重要意义。

【成果简介】

近日，湘潭大学钟建新教授团队的祁祥（通讯作者）副教授课题组和深圳市黑磷光电技术工程实验室主任深圳大学张晗（通讯作者）教授课题组近期在Advanced Functional Materials上发表了题为“Environmentally Robust Black Phosphorus Nanosheets in Solution: Application for Self-Powered Photodetector”的内封底文章。

该团队选用KOH作为电解质，在溶液的环境下测试了液相剥离制备的少层黑磷纳米片的自供电光探测性能以及其稳定性。研究发现，黑磷纳米片在KOH电解液中的光电流能达到265 nA/cm²，一周之后其光电流大小仍有103 nA/cm²。结果表明，黑磷纳米片在KOH电解液中具有优异的光探测能力以及良好的稳定性。不仅如此，通过对KOH电解液的浓度和偏压进行调控，有效的提升了黑磷纳米片的光探测性能。本工作不仅得到了黑磷纳米片光探测性能和电解液浓度的关系，还说明黑磷纳米片作为低功耗光探测器件中具有良好的性能与潜力。

该研究得到了深圳市黑磷光电技术工程实验室，国家自然科学基金重大及重点项目，深圳市重点滚球体育 项目等多项基金的支持。

【图文导读】

图1：二维黑磷纳米片液相剥离的制备示意图以及形貌结构表征

(a) 液相剥离制备少层黑磷纳米片的流程示意图；

(b-c) SEM以及EDS分析；

(d) TEM分析；

(e) HRTEM图；

(f) 对应的衍射花样；

(g) 黑磷纳米片在NMP溶液中的紫外可见光谱表征；

(h) 块状黑磷和黑磷纳米片的拉曼光谱分析；

(i) 黑磷纳米片的光致发光谱。

图2：基于黑磷纳米片光探测器的性能研究

测试黑磷纳米片在0.1 M KOH电解液中光探测性能：

(a) 线性伏安特性曲线；

(b) 不同光强度下的光响应能力；

(c) 不同光强下光电流和光转换效率的分析；

(d) 不同波长光源(360 nm, 405 nm, 436 nm and 546 nm)照射下的伏安特性曲线；

(e) 自供电光探测性能；

(f) 在0.3 V和0.6 V偏压下的光探测性能。

图3：黑磷纳米片在碱性KOH溶液中的稳定性

(a) 循环稳定性测试；

(b) 长时间自供电黑磷纳米片光探测器稳定性测试；

(c) 黑磷纳米片光探测器的在1小时、1天、1周以及1个月后的光响应特征分析。

图4：不同KOH浓度下的黑磷纳米片自供电光探测器性能分析

(a) 不同KOH电解液浓度中的光响应测试；

(b) 拟合光响应曲线得到响应时间常数；

(c) 不同电解液浓度中黑磷纳米片的交流阻抗测试。

【小结】

该工作利用液相剥离的方法得到了少层黑磷纳米片并将其用于构建自供电光探测器的电极。通过光响应测试，时间循环稳定性测试以及显微拉曼表征发现在KOH电解液的环境下，二维黑磷纳米片不仅具有优异的光响应性能还具有良好的稳定性。进一步实验结果表明，通过改变KOH的浓度能够有效调控黑磷纳米片的光探测性能，从而提供一种得到优异光探测性能以及高稳定黑磷纳米片光探测器的方法。

文章链接：Environmentally Robust Black Phosphorus Nanosheets in Solution: Application for Self‐Powered Photodetector(Adv. Funct. Mater., 2017,27,1606834 DOI:10.1002/adfm.201606834)

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