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二維Bi?O?Se光電特性及其光電子器件研究進展綜述

MEMS ? 來源:紅外芯聞 ? 2023-07-11 09:04 ? 次閱讀

二維(2D)材料由于其超薄的厚度、高度的機械柔性、可調(diào)諧的帶隙以及易于定制的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu),被廣泛應(yīng)用于通信、紅外探測、航空航天以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。其中2D Bi?O?Se作為一種新興的二維層狀材料,具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的光電特性和良好的環(huán)境穩(wěn)定性,是制備高性能紅外光電子器件的優(yōu)秀候選材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報道,太原理工大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)的聯(lián)合科研團隊在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“二維Bi?O?Se光電特性及其光電子器件研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為趙子揚,主要從事微納光電子器件方面的研究工作。通訊作者為崔艷霞教授,主要從事微納光子與光電子學(xué)領(lǐng)域的研究工作。

本文綜述了基于2D Bi?O?Se材料光電子器件的研究進展。首先,介紹了2D Bi?O?Se的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)及其光電特性。然后,詳述了Bi?O?Se材料的常見制備方法,包括化學(xué)氣相沉積法和水熱合成法。此外,綜述了Bi?O?Se材料在場效應(yīng)晶體管、光電探測器和光開關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。最后,我們總結(jié)了全文,并對Bi?O?Se材料的發(fā)展進行了展望。

2D Bi?O?Se的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)

Bi?O?Se室溫下形成四方結(jié)構(gòu),具有14/mmm的空間群對稱性(a=b=3.88?,c=12.16?),如圖1(a)所示,八個Bi原子位于立方體的頂點,[Bi?O?]2???陽離子層和[Se]2???陰離子層通過弱靜電相互作用沿c軸交替堆疊,層厚為0.61 nm,其層狀性質(zhì)使其非常適合制造低至幾層原子厚度的電子器件。與常見的范德瓦爾斯(vdWs)層狀材料不同,Bi?O?Se是離子層狀材料。但是Bi?O?Se仍然表現(xiàn)出典型2D材料的特性,如其帶隙和光吸收會隨層數(shù)的變化而改變。Wei等人認為Bi?O?Se是一種拉鏈2D 材料,并提出了“拉鏈模型”,如圖1(b)所示。單層Bi?O?Se的結(jié)構(gòu)為Se0.5-Bi?O?- Se0.5,其頂部和底部均為Se原子,通過多個單層的堆疊形成多層結(jié)構(gòu)。對于多層Bi?O?Se,Se層是由下一層上表面50% Se和上一層下表面50% Se接合而成。這種堆疊方式類似于日常生活中的拉鏈,因此被稱為“拉鏈模型”。在實驗中,也確實觀察到了Bi?O?Se薄片中的拉鏈狀結(jié)構(gòu)。并且Wei等人通過理論研究表明,Bi?O?Se的層間作用力大于MoS?、BP等材料的范德瓦爾斯力,這種獨特的晶體結(jié)構(gòu)使得其具有優(yōu)越的環(huán)境穩(wěn)定性。如圖1(d)所示,在Wu等人的實驗研究中,Bi?O?Se晶體的表面形態(tài)和粗糙度即使在空氣中暴露數(shù)月后也幾乎保持不變。Li等人發(fā)現(xiàn)在空氣中暴露超過三個月的Bi?O?Se器件表現(xiàn)出穩(wěn)定的光響應(yīng)性能。這些結(jié)果均表明Bi?O?Se具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性。Li等人還通過變溫測量實驗發(fā)現(xiàn),Bi?O?Se納米片在80~300 K不同溫度下的響應(yīng)度以及響應(yīng)時間幾乎保持在同一水平,這可能是由于超薄Bi?O?Se納米片在其帶隙中沒有表面陷阱態(tài)或淺缺陷能級。

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圖1 Bi?O?Se的晶體結(jié)構(gòu)

電子能帶結(jié)構(gòu)是研究2D材料電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)的重要依據(jù)。Bi?O?Se具有中等且可調(diào)諧的帶隙,ARPES測量圖顯示其導(dǎo)帶和價帶之間存在一個間接帶隙,數(shù)值為0.8±0.05 eV。Ma等人利用第一性原理計算得到了Bi?O?Se的能帶結(jié)構(gòu),如圖2(a)所示。具體地,Bi?O?Se體單晶表現(xiàn)出0.85 eV的間接帶隙,其導(dǎo)帶底(CCBM)由O原子的2p軌道和Bi原子的6p軌道共同貢獻,而價帶頂(VBM)則主要來源于O原子的2p軌道和Se原子的p軌道。適當?shù)膽?yīng)變可以使Bi?O?Se從間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體。由于量子限制效應(yīng),Bi?O?Se從單層到體顯示出與層數(shù)相關(guān)的電子帶隙(1.3-0.8 eV)、電子有效質(zhì)量(0.20-0.14 m?)和光學(xué)帶隙(2.0-1.5 eV)。對于厚度大于八層(~5 nm)的Bi?O?Se晶體,其電子能帶結(jié)構(gòu)與體相非常接近,如圖2(c)所示。此外,Wu等人對1-7層的Bi?O?Se的電子結(jié)構(gòu)演化進行了計算,隨著層數(shù)的增加,Bi?O?Se的帶隙會逐漸變小,如圖2(b)所示。Yin等人對Bi?O?Se晶體進行了角分辨光電子能譜(ARPES)測量。實驗結(jié)果表明,Bi?O?Se表現(xiàn)出約0.8 eV的間接帶隙,如圖2(d)所示。并且利用ARPES測得的實驗數(shù)據(jù),他們計算出Bi?O?Se的電子有效質(zhì)量為0.14 m?,這一數(shù)值低于硅的電子有效質(zhì)量(0.26 m?)。這種低有效質(zhì)量、合適的帶隙的優(yōu)異特性有利于高性能電子器件的制備。

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圖2 Bi?O?Se的電子能帶結(jié)構(gòu)

光電特性

2D Bi?O?Se材料具有高的電子遷移率,在1.9 K下,其電子遷移率約為28900 cm2·V?1·S?1,室溫下最大為450 cm2·V?1·S?1。Wu等人對Bi?O?Se納米片進行了霍爾效應(yīng)測量,室溫下樣品的霍爾遷移率μapp表現(xiàn)出明顯的厚度依賴性。如圖3(a)所示,對于較厚的樣品,μHall保持在200 cm2·V?1·S?1左右,但對于小于6.2 nm的樣品,μHall則會突然下降。這種厚度依賴的遷移率特性可歸因于2D Bi?O?Se納米片中嚴重的界面/表面散射。

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圖3 Bi?O?Se的光電特性

同時實驗表明,Bi?O?Se材料的電子遷移率與載流子濃度之間成反比,如圖3(b)所示。此外,Li等人對基于Bi?O?Se的柔性裝置彎曲500次后,發(fā)現(xiàn)該裝置的光響應(yīng)仍然保持高度穩(wěn)定性。2D Bi?O?Se的這些特性表明,它在未來超快、柔性光電器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于Bi?O?Se材料具有良好的室溫電子遷移率,大尺寸的Bi?O?Se晶體可作為新型的光伏材料。Liu等人報道了單層Bi?O?Se和納米片的光學(xué)性質(zhì)和光載流子動力學(xué)。他們利用光致發(fā)光(PL)和透射譜研究了Bi?O?Se納米片中的直接光學(xué)躍遷,圖3(c)中的曲線(Ⅰ)是樣品在532 激光激發(fā)下的PL光譜,可知光致發(fā)光峰值約為720 nm(1.72 eV),寬度約為70 nm,這個寬度大約是典型單層TMD的兩倍。他們把PL峰的展寬歸因于聲子均勻展寬和缺陷非均勻展寬兩個方面。此外,單層Bi?O?Se薄膜表現(xiàn)出強烈的光吸收飽和激子-激子相互作用,其激子擴散系數(shù)比納米板大幾倍,表明單層Bi?O?Se薄膜的傳輸性能更好,這些優(yōu)異的性能使其成為一種很有前途的非線性光學(xué)材料。此外,Zhang等人的理論研究表明,應(yīng)變工程是調(diào)節(jié)Bi?O?Se光學(xué)性質(zhì)的一種很有前途的方法。如圖3(d)所示,通過對單層Bi?O?Se施加適當?shù)膽?yīng)變,光響應(yīng)可以覆蓋從紫外到近紅外(UV NIR)的范圍,如此寬的響應(yīng)波段表明Bi?O?Se材料在近紅外光電器件中具有巨大的應(yīng)用潛力。

2D Bi?O?Se的制備方法

制備Bi?O?Se的方法主要有化學(xué)氣相沉積法(CVD)和水熱合成法兩種,下面我們將對這兩種方法的研究進展進行詳細介紹。

化學(xué)氣相沉積法

氣相沉積法是制備高質(zhì)量、大面積二維材料的一種常見方法。該方法具有操作靈活、樣品尺寸與形貌可控等優(yōu)點,所以該方法是目前制備2D Bi?O?Se的主流方法。由于實驗設(shè)備、環(huán)境和需求的不同,不同研究團隊給出的生長條件有一定的差別。通過對生長條件(如溫度、反應(yīng)物、壓強以及生長時間等)的調(diào)控可以制備出不同尺寸、不同形狀以及不同厚度的Bi?O?Se材料。其中襯底溫度對生長的影響非常重要,過高和過低都會導(dǎo)致生長出來的樣品不理想。當襯底溫度相對較低時,前驅(qū)體的吸收率相對較高。因此,被吸收的前驅(qū)體更有可能在襯底上聚集成核,然后結(jié)晶成具有更小疇尺寸和更大成核位點密度的Bi?O?Se納米片。相反,當溫度過高時,前驅(qū)體的吸收率減小,吸收行為逐漸成為

晶體生長的主要步驟,導(dǎo)致Bi?O?Se納米片的疇尺寸較小。與TMD中的范德華力相比,Bi?O?Se層間靜電相互作用較強,這會導(dǎo)致Bi?O?Se傾向于沿垂直方向生長,所以需要選擇合適的襯底來減少其垂直生長的趨勢,以制備超薄的、大面積的2D Bi?O?Se薄膜。氟晶云母的K?層和Bi?O?Se的Se?-層之間存在較強的靜電相互作用,會促進Bi?O?Se的橫向生長,所以氟晶云母襯底是生長Bi?O?Se材料最常用的襯底。

Li等開發(fā)了一種空間限制的CVD方法,實現(xiàn)了Bi?O?Se納米結(jié)構(gòu)的外延生長。通過控制生長溫度,可以合成各種形態(tài)的Bi?O?Se。He等通過把生長溫度控制在650-700 ℃,生長時間控制在10-30分鐘,制備出了高質(zhì)量的超薄Bi?O?Se納米片,其厚度在10 nm以下,橫向尺寸在10 μm左右。而Tong等人用改進的CVD法生長出高質(zhì)量的大面積(400-32000 μm2)的Bi?O?Se納米片。Wu等人的研究表明,Bi?O?Se的尺寸可以通過改變生長溫度進行調(diào)節(jié),如圖4(a)所示,他們在570 ℃下合成了疇尺寸為200 μm、厚度范圍為2-4層的超光滑大尺寸單晶,并且還實現(xiàn)了厚度僅為0.9 nm的單層Bi?O?Se的生長。一般情況下,都是先將Bi?O?Se沉積在云母襯底上,然后再將其轉(zhuǎn)移到所需的襯底上制備特定的器件。但是這種轉(zhuǎn)移過程會在一定程度上降低材料的質(zhì)量。Liang等提出了一種全新的生長機制,如圖4(c)所示,他們利用單源Bi?Se?在二氧化硅(SiO?)襯底上直接合成了Bi?O?Se,從而避免了轉(zhuǎn)移過程。其中SiO?是非晶態(tài)的,在750 ℃高溫下氧-硅鍵會發(fā)生斷裂,從而在表面產(chǎn)生氧氣。然后氧氣與Bi?Se?結(jié)合形成~5 nm厚度的Bi?O?Se。用Bi?O?和Bi?Se?作為前驅(qū)體是化學(xué)氣相沉積法制備Bi?O?Se最為常見的生長模式。但Bi?O?和Bi?Se?雙蒸發(fā)源的存在使得Bi和Se的濃度比無法得到合理的控制,從而會影響B(tài)i?O?Se納米片的橫向生長,不利于獲得大尺寸和高質(zhì)量的樣品。Usman Khan等利用單一蒸發(fā)源通過常壓氣固法獲得了厚度低至單層的毫米級Bi?O?Se單晶,如圖4(d)所示。

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圖4 典型的Bi?O?Se生長方法

水熱合成法

水熱法是一種低成本、低溫生長Bi?O?Se低維結(jié)構(gòu)的簡單方法,也被稱為復(fù)合熔鹽法(CMS)。在室溫下,Ghosh等人在堿性溶液(NaOH和KOH)中將(SeC(NH?)?)和Bi(NO?)?混合,堿性溶液促進Bi(NO?)?和SeC(NH?)?分別水解生成BiONO?和Se2?,BiONO?與Se2?發(fā)生反應(yīng)生成了Bi?O?Se納米片。他們制備得到的Bi?O?Se薄片的橫向尺寸在100-200 nm之間,大多數(shù)薄片的厚度約為2 nm。隨后,Chen等人以LiNO?和KNO?為復(fù)合熔鹽,采用共沉淀法合成了Bi?O?Se晶體,如圖5(a)所示。Sun等人的研究表明了LiNO?中的Li+通過靜電力吸附在Bi?O?Se的[001]面上,阻止了Se層與BiO?離子的附著,極大地限制了[001]方向的生長速率,從而得到具有較薄形貌的納米片,如圖5(b)所示。當LiNO?濃度越來越高時,限制[001]方向生長速率的效果會更大。水熱法雖然具有操作簡單、成本低的優(yōu)點,但是對樣品質(zhì)量的控制與化學(xué)氣相沉積法相比還存在一定的差距,所以大部分研究者們還是采用CVD法來制備2D Bi?O?Se材料。

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圖5 常用的水熱合成法示意圖

基于Bi?O?Se的電子及光電子器件

2D Bi?O?Se具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)、高載流子遷移率和優(yōu)越的環(huán)境穩(wěn)定性,這些突出的性能使其成為制備高性能電子和光電子器件的候選材料。

場效應(yīng)晶體管

場效應(yīng)晶體管作為現(xiàn)代電子技術(shù)的關(guān)鍵元件,已廣泛應(yīng)用于傳感器和航空航天等領(lǐng)域。2D Bi?O?Se由于其優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì),被認為是未來高速和低功耗場效應(yīng)晶體管的很有前途的溝道材料。

Xu等人通過第一性原理的能帶結(jié)構(gòu)計算和量子輸運模擬對單層/雙層Bi?O?Se與具有不同功函數(shù)的六種金屬(Au、Ag、Se、Ti、Pt和Pd)之間的接觸類型進行了研究。結(jié)果表明:雙層和Bi?O?Se與六種金屬之間均可以實現(xiàn)n型歐姆接觸,基于此可以實現(xiàn)高性能的多層Bi?O?Se場效應(yīng)管。高的載流子濃度會導(dǎo)致靜電柵控制效果較差,閾值電壓不合適,不利于制備高性能低功耗器件。Peng等人利用硒粉和Bi?O?作為蒸發(fā)源生長出具有超低載流子濃度的Bi?O?Se納米片,性能如圖6(a)所示,利用所制得的低載流子濃度樣品,Bi?O?Se場效應(yīng)晶體管的閾值電壓被大大降低,同時快速開關(guān)行為得以保持。Fu等人利用PS(聚苯乙烯)將云母上的Bi?O?Se轉(zhuǎn)移到Si/SiO?襯底上,制備了背柵調(diào)控的場效應(yīng)管。通過調(diào)控Bi?O?Se的載流子濃度,器件的響應(yīng)度最高可以達到10?A·W?1,響應(yīng)速度可以達到100 μs。

Wu等人采用高κ的HfO?作為介電層,基于不同厚度的2D Bi?O?Se制作了頂柵場效應(yīng)晶體管,如圖6(b)所示,該器件顯示出優(yōu)異的半導(dǎo)體器件性能,包括高載流子遷移率(室溫下為-450 cm2·V?1·S?1)、高電流開關(guān)比>10?和近乎理想的亞閾值擺幅(約65 mV/dec?1)。并且該場效應(yīng)晶體管的的遷移率表現(xiàn)出明顯的厚度依賴性,這種特性可歸因于2D Bi?O?Se薄片中嚴重的界面/表面散射。此外,他們發(fā)現(xiàn)電子遷移率會隨著柵極電壓Vg的降低而增加,這可能是電壓的降低減少了界面/表面處的散射,如圖6(c)所示。Liang等人基于無轉(zhuǎn)移生長的2D Bi?O?Se制備了場效應(yīng)晶體管,其場效應(yīng)遷移率為~70 cm2·V?1·S?1,并且擁有~10?的高開關(guān)比。Tan等人制備了一種基于石墨烯/Bi?O?Se vdW異質(zhì)結(jié)的短溝道場效應(yīng)晶體管,如圖6(d)所示,Bi?O?Se溝道的寬度為50 nm,石墨烯則作為漏極和源極,該器件在頂柵電場調(diào)制下顯示出n型特性。他們的研究表明,Bi?O?Se和石墨烯的功函數(shù)相差僅50 meV,低于Bi?O?Se與金的功函數(shù)差值,這意味著與金電極相比,石墨烯電極可以為2D Bi?O?Se引入較低的vdW異質(zhì)結(jié)接觸電阻,而低的接觸電阻對石墨烯和Bi?O?Se之間的載流子注入是非常有益的。

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圖6 Bi?O?Se晶體的遷移率特性和FET示意圖

光電探測器

光電探測器是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電子器件,在紅外探測、通信和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與其他2D材料相比,Bi?O?Se具有更高的電子遷移率和更好的穩(wěn)定性,并且具有非常適合近紅外光電探測的0.8 eV帶隙寬度,研究者們利用2D Bi?O?Se制備了很多不同結(jié)構(gòu)的光電探測器。

基于Bi?O?Se的光電導(dǎo)型光電探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的探測性能。Li等人在云母襯底上生長了Bi?O?Se,然后蒸鍍了Cr/Au電極制成了紅外光電探測器。該探測器在808 nm紅外激光照射下,表現(xiàn)出6.5 A·W?1的響應(yīng)度、8.3 ×1011Jones的比探測率與2.8 ms的響應(yīng)速度。Yin等利用Ti/Au電極制備了超敏感的Bi?O?Se紅外光電探測器,其探測波長可拓展到1700 nm,并且對1200 nm的紅外光表現(xiàn)出6.5 A·W?1的響應(yīng)度,本征光響應(yīng)時間達到1 ps。Chen等人構(gòu)建了一種蝶型天線輔助的寬帶(1R到THz)Bi?O?Se光電探測器。該探測器的電極為對稱的蝶形,可起到天線的作用,此蝶形天線可將光子耦合到亞波長溝道中,從而會對太赫茲波段的探測起到一定的增益和敏化作用,如圖7(a)所示。該器件在1R和THz區(qū)域的光響應(yīng)源于不同的響應(yīng)機制。在1R區(qū)域,非平衡載流子是由Bi?O?Se中的光生電子-空穴對引起的。而在太赫茲區(qū)域,光子能量遠小于Bi?O?Se的帶隙,因此不會激發(fā)電子-空穴對,此時由電磁感應(yīng)阱通過金屬電極注入載流子。室溫下,該探測器的響應(yīng)度在1550 nm處達到58 A·W?1,響應(yīng)時間和噪聲等效功率(NEP)分別為476 ns和0.2 pW·Hz-1/2。Yang等人制備了多層Bi?O?Se(30 nm)光電探測器,該探測器具有850-1550 nm范圍內(nèi)超靈敏光響應(yīng),響應(yīng)度、響應(yīng)時間、EQE和比探測率分別為101 A·W?1(900 nm)、30 ms、20300%和1.9×101? Jones。他們的研究表明:多層Bi?O?Se比薄層具有更好的光響應(yīng)性能,多層Bi?O?Se的光吸收高于薄層Bi?O?Se,可以誘導(dǎo)更高的光電流;而且由于其較窄的帶隙,多層Bi?O?Se提供了比薄層Bi?O?Se更寬的光譜響應(yīng)。

電極沉積或樣品轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的不良缺陷或污染物會導(dǎo)致光電探測器的性能下降。在Liu等的研究中,在探針的輔助下,他們將Au電極轉(zhuǎn)移到生長在氟晶云母襯底上的Bi?O?Se薄膜頂部,避免了傳統(tǒng)光刻方法(紫外光刻或電子束光刻)帶來的污染物,制備了基于Au/Bi?O?Se結(jié)的高效光電探測器。此外,通過增強Au/Bi?O?Se界面和Bi?O?Se溝道上的電場強度,優(yōu)化器件退火溫度(消除MSM界面處粘附的水/氧),縮小Au/Bi?O?Se界面的van derWaals間隙,縮短器件溝道長度,器件的整體性能得以提高。該器件的最大光響應(yīng)度為9.1 A·W?1,器件響應(yīng)時間可達36 us,并且具有從360 nm到1090 nm的寬帶光譜響應(yīng)。

基于Bi?O?Se的晶體管型光電探測器也表現(xiàn)出優(yōu)異的探測性能。Tong等人利用CVD在云母襯底上構(gòu)建了Bi?O?Se頂柵光電晶體管。該光電晶體管顯示出從360到1800 nm的寬帶光電探測,在360 nm處其最大響應(yīng)度為1.08×10? A·W?1。在405 nm光照下,頂柵Bi?O?Se光電晶體管的響應(yīng)度、EQE和比探測率分別達到5.01×10? A·W?1、1.5×10?%和8.2×1012Jones。這種優(yōu)異的性能可歸因于光選通、光伏和光熱效應(yīng)的協(xié)同作用。對于Bi?O?Se的響應(yīng)機制,Yang等人對光照和局部加熱引起的電流進行了詳細的研究,他們認為Bi?O?Se光電探測器的主要光響應(yīng)機理不僅是光電導(dǎo)效應(yīng),還有光熱效應(yīng)下熱載流子引起的熱輻射效應(yīng)。Chen等人構(gòu)建了基于Bi?O?Se納米片的三電極光電化學(xué)(PEC)型自供電光電探測器,該探測器可以在沒有外加電壓的情況下工作。三電極系統(tǒng)由兩個工作電路組成,工作電極和參比電極組成測量電路,用于測量電化學(xué)反應(yīng)過程;工作電極和反電極組成極化電路,用來傳遞電子形成回路,該器件具有優(yōu)異的時間穩(wěn)定性和周期穩(wěn)定性。

此外,將Bi?O?Se與其他2D材料堆疊在一起構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以大幅度改善光電探測性能。因2D材料表面沒有阻礙電子傳輸?shù)膽覓戽I或者表面態(tài)等,并且層與層之間依靠范德瓦爾斯力連接,所以可以避免了傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)易出現(xiàn)晶格失配的現(xiàn)象,有助于制備理想的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外,2D材料的種類很多,其帶隙分布十分廣泛,可以覆蓋從紫外到遠紅外波段從而實現(xiàn)紅外探測。Yang等人構(gòu)建了具有Ⅱ型能帶排列的Bi?O?Se/MoSe?異質(zhì)結(jié)光電探測器。該器件具有從可見光(405 nm)到近紅外(808 nm)的寬帶檢測能力,在780 nm處的響應(yīng)度為413.1 mA·W?1,探測率為3.79×1011 Jones。并且與2D Bi?O?Se光電探測器相比,暗電流顯著降低。隨后,Liu等人構(gòu)建了基于Bi?O?Se/BP vander Waals異質(zhì)結(jié)的寬帶光電探測器。該器件表現(xiàn)出p-n二極管特性,電流整流比為~20。得益于vdW異質(zhì)結(jié)可以抑制暗電流并促進載流子的快速分離,該探測器在700 nm處的響應(yīng)度為500 A·W?1,D達到2.8×1011 Jones,響應(yīng)時間為9 ms,比單個BP(190 ms)和Bi?O?Se(180 ms)器件快20多倍。Bi?O?Se在帶隙(0.8 eV或λ=1550 nm)附近較弱的光響應(yīng)限制了其在寬紅外光譜中的應(yīng)用。窄帶隙半導(dǎo)體(PbS、PbSe、HgSe等)的膠體量子點(CQD)具有高消光系數(shù)和帶隙可調(diào)的特性,將它們與2D材料相結(jié)合,利用異質(zhì)結(jié)界面處的光門控效應(yīng)可以提高響應(yīng)度。Luo等人通過在高遷移率2D Bi?O?Se上旋涂一層對紅外敏感的PbSe量子點,制備出一種寬帶混合光電探測器。

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圖7 典型的光電探測器結(jié)構(gòu)

通過PbSe膠體量子點(CQD)對Bi?O?Se納米片的敏化,進一步提高了該探測器對紅外光的吸收,可實現(xiàn)長達2 μm的短波紅外探測(響應(yīng)度>103 A·W?1)。PbSe CQD與Bi?O?Se形成Ⅱ型界面,該界面使PbSe CQD在光照下向Bi?O?Se注入電荷。與純Bi?O?Se相比,PbSe和Bi?O?Se之間的Ⅱ型界面帶偏移不僅提高了器件的響應(yīng)度,而且將響應(yīng)時間提高到約4 ms,這比PbSe CQD快了約300倍。

光開關(guān)

脈沖激光可由光開關(guān)產(chǎn)生,性能較好的光開關(guān)是獲得超短脈沖激光的關(guān)鍵。它可以通過在超快時間尺度上切換吸收來產(chǎn)生短脈沖輸出。光開關(guān)是一種非線性光學(xué)器件,也稱為無源可飽和吸收體(SA)。在強光下,SA被漂白,可以使大部分腔內(nèi)能量通過SA到達反射鏡,并再次反射回激光腔中;在弱光下,SA表現(xiàn)出吸收未飽和的特性,其將吸收掉所有入射光,從而將這部分弱光從激光腔中去除,表現(xiàn)了調(diào)Q鎖模的抑制作用。目前中紅外脈沖激光正日益成為生物醫(yī)學(xué)、傳感、成像和光通信等科學(xué)應(yīng)用的首選光源。但是限制中紅外脈沖激光器的因素之一是缺乏能夠產(chǎn)生具有寬帶響應(yīng)脈沖的光開關(guān)。Tian等人的研究表明,Bi?O?Se基飽和吸收體具有0.8~5.0 μm的超寬帶可飽和非線性光學(xué)響應(yīng),如圖8(a)所示。他們設(shè)計了一種以Bi?O?Se為光開關(guān)的波長為3.0 μm的Q開關(guān)激光器。當泵浦功率從77.9 mW增加到186 mW,重復(fù)頻率從28.57 kHz增加到62.5 kHz,而脈沖寬度從5.9 μs單調(diào)減少到2.0 μs,這非常符合典型的調(diào)Q特性,如圖9(b)所示。盡管該技術(shù)類似于石墨烯、黑磷等二維材料,但基于Bi?O?Se的光開關(guān)在可擴展到更寬波長。此外,Long等人對2D材料異質(zhì)結(jié)可飽和吸收體在激光器中的應(yīng)用進行了研究,發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)的光學(xué)互補效應(yīng)對得到調(diào)制深度大、輸出脈寬窄、峰值功率高的可飽和吸收體非常有利。因此,具有優(yōu)異性能的Bi?O?Se基異質(zhì)結(jié)可飽和吸收體具有廣闊的應(yīng)用前景。

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圖8 光開關(guān)特性

總結(jié)與展望

2D Bi?O?Se材料由于具有高電子遷移率、中等帶隙和良好穩(wěn)定性等優(yōu)異特性從而獲得了廣泛的關(guān)注和研究。盡管2D Bi?O?Se發(fā)展非常迅速,但對其的探索還處于初級階段,仍然面臨著一些問題與挑戰(zhàn)。首先,為了滿足工業(yè)應(yīng)用的要求,需要開發(fā)一種簡便、低成本的制備方法,來合成厚度可控的晶圓級2D Bi?O?Se。雖然目前采用CVD或MBE方法可在外延襯底上合成高質(zhì)量的Bi?O?Se單晶,但是此類單晶薄膜的生長嚴重依賴于鈣鈦礦氧化物襯底(如STO或LAO),而這些襯底的價格昂貴且尺寸有限。為了擴大生產(chǎn)規(guī)模并降低成本,在低成本的氟晶云母襯底上獲得大面積且高質(zhì)量的Bi?O?Se單晶是有利的,或者直接在Si/SiO?襯底上合成大面積的2D Bi?O?Se則更為便捷。其次,由于材料在轉(zhuǎn)移過程中存在一定的缺陷,使得制成的器件性能有所下降,所以優(yōu)化轉(zhuǎn)移工藝對制備高性能器件也非常關(guān)鍵。最后,2D Bi?O?Se作為一種優(yōu)異的熱電材料,具有良好的熱電轉(zhuǎn)換效率,并且可以通過摻雜Cl、Ag、Sb等元素以及應(yīng)變工程來提高其熱電品質(zhì)因數(shù),但是基于2D Bi?O?Se的熱電器件卻研究甚少,需要進一步開發(fā)??偠灾?,2D Bi?O?Se作為一種新型半導(dǎo)體材料,有望在未來高速紅外光電探測器等領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。

這項研究獲得國家自然科學(xué)基金項目(No.U21A20496、No.61922060、No. 61775156、No.61805172、No.12104334、No.62174117、No.61905173)、山西省自然科學(xué)基金面上青年基金(No.20210302123154、No.20210302123169)、山西省回國留學(xué)人員科研資助項目(No.2021-033)、山西浙大新材料研究院基礎(chǔ)研究類項目(No.2021SX-FR008)和呂梁市高層次科技人才引進專項項目(No.Rc2020206、No.Rc2020207)的資助和支持。





審核編輯:劉清

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原文標題:綜述:二維Bi?O?Se光電特性及其光電子器件研究進展

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