基于碲化鉍納米線的長波紅外光熱電探測器開發(fā)

碲化鉍（Bi?Te?）是一種具有層狀范德華結構的二維材料，歸因于拓撲絕緣體的特性，其載流子遷移率較高。同時作為一種性能優(yōu)異的熱電材料，其Seebeck系數(shù)較大（-170 μV/K），而熱導率很低（約1.4 W·m?1·K?1）， 且其在較大的光波范圍內均存在有效的自由載流子吸收，因此Bi?Te?是開發(fā)光熱電探測器的有希望的候選者。研究Bi?Te?光電探測器在長波紅外波段的響應機制及性能提升策略對光電探測的發(fā)展具有重要意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室和中國科學院大學的科研團隊在《半導體材料與器件》期刊上發(fā)表了以“基于碲化鉍納米線的長波紅外光熱電探測器”為主題的文章。該文章第一作者為曹曉鵬，通訊作者為陸曉偉副研究員和姜鵬研究員。

本文研究了Bi?Te?納米線光電探測器在長波紅外（10.6 μｍ）波段的響應機制及性能提升策略。首先探索了在化學氣相沉積中如何實現(xiàn)納米線的可控生長；接著利用微納加工工藝制造并探索了Bi?Te?納米線光電探測器在長波紅外波段的響應機制；最后研究了電極材料和調制頻率對Bi?Te?納米線光熱電探測器性能的影響。

探測器制備及測試方法

Bi?Te?納米線的合成

采用化學氣相沉積法在石英管式爐內生長Bi?Te?納米結構，生長過程示意圖如圖1（a）所示。對于化學氣相沉積合成納米結構而言，生長區(qū)的溫度可控制其形貌演變。同樣的情形在Bi?Te?納米結構的合成中被觀察到，如圖1（b）和（c）所示，在不同的生長溫區(qū)內其形狀發(fā)生了明顯的變化，從納米片轉變?yōu)榧{米線。

圖1 化學氣相沉積法生長的Bi?Te?納米結構

Bi?Te?納米線光電探測器的制備

Bi?Te?納米線光電探測器的制備方法為：使用Si/SiO?（200 nm）作為襯底，首先依次用丙酮、異丙醇、去離子水擦拭襯底，去除表面的雜質，然后采用對貼法將生長襯底上的納米線轉移到Si/SiO?表面。接著將轉移之后的結構進行預烘，去除表面的水分，再依次進行光刻膠旋涂、曝光、顯影工藝，將掩模版圖形轉移到襯底上。最后使用磁控濺射生長電極，再通過丙酮浸泡去除冗余結構，即可得到所需的Bi?Te?納米線，其結構示意圖如圖2（a）所示，電極材料位于Bi?Te?納米線的上方。使用原子力顯微鏡（AFM）掃描樣品，結果如圖2（b）和（c）所示，表明成功制備了Bi?Te?納米線光電探測器，納米線長度為60 μm、寬度為650 nm、高度為40 nm，電極材料為Ni，通道長度為20 μｍ。受限于磁控濺射加工工藝，生長電極與Bi?Te?納米線界面處存在一定程度的卷邊。

圖2 Bi?Te?納米線光電探測器的制備

Bi?Te?納米線光電探測器的性能測試

在光熱電響應測試過程中，使用CO?激光作為紅外光源，將激光波長調整為10.6 μm，經光路調節(jié)聚焦后，光斑大小約為30 μm。對Bi?Te?納米線光電探測器在黑暗和光照條件下的Ｉ?Ｖ曲線進行測試，采用Keithley 2450數(shù)字源表測試數(shù)據(jù)。

結果與討論

Bi?Te?納米線光電探測器在長波紅外波段的響應

首先測試了在黑暗和10.6 μm 波長激光照射下Bi?Te?納米線光電探測器的Ｉ?Ｖ曲線，如圖3（a）所示，線性的Ｉ?Ｖ曲線表明Bi?Te?納米線與Ｎｉ電極之間為歐姆接觸而無肖特基勢壘。當激光照射在器件左側（連接源表正極） 時，左側吸收熱量導致左右兩側產生溫差；由于Seebeck效應，熱量驅使載流子移動，從而輸出電信號。光照條件下的Ｉ?Ｖ曲線向下平移，符合Bi?Te?納米線的n型半導體特性。另外，同時產生極性相反的響應電壓和響應電流，且電阻值沒有明顯變化，證明該響應機制為典型的光熱電轉換過程。

圖3 Bi?Te?納米線光電探測器在長波紅外波段的響應

進一步測試響應電壓隨激光功率的變化，如圖3（b）所示，當激光功率P增加時，響應電壓隨之變大。對實驗數(shù)據(jù)擬合結果表明，響應電壓與對應的激光功率呈線性正相關。

隨后在無外加偏壓條件下，對Bi?Te?納米線光熱電探測器在光照條件下隨位置變化的響應電流進行掃描響應電流成像，如圖4（a）所示，其表現(xiàn)出對稱的光熱電響應，響應電流可達15 nA，與Ｉ?Ｖ曲線測試得到的結果一致。這歸因于其n型半導體特性，在光照條件下，電子的熱擴散產生了響應電流。當光照射在左側和右側界面時，熱載流子的移動方向相反，因此呈現(xiàn)出極性相反的響應電流。

圖4 Bi?Te?納米線光熱電探測器的響應電流隨位置的變化

進一步地，沿圖4（a）中的白色虛線，提取光響應電流在一維尺度上隨位置的變化。如圖4（b）所示，雖然通道長度只有20 μm，但Bi?Te?納米線光電探測器在100 μm的長度范圍內均表現(xiàn)出光響應。一方面光斑尺寸（30 μm）相較通道長度較大，另一方面電極存在一定的吸光能力，使得在較大的范圍內均能獲得有效的光響應信號，響應電流的最大值出現(xiàn)在Bi?Te?納米線與Ni電極的界面附近。結合以上分析可知，優(yōu)化電極材料或許對Bi?Te?納米線光電探測器的性能有所提升。

電極對Bi?Te?納米線光熱電探測器性能的影響

首先驗證電極厚度對Bi?Te?納米線光熱電探測器響應電壓的影響。當電極材料為Ni時，測試了電極厚度分別為20、30、50、70、100 nm時的響應電壓。如圖5（a）所示，隨著電極厚度的增加，其響應電壓先增大后減小。對同一種材料而言，吸光系數(shù)可能隨厚度的增加而增加；與此同時，歸因于表面積的增大，電極散耗到空氣中的熱量也隨之增加，這意味著電極厚度的增加也會有一定的散熱作用。因此在使用Ni作為電極時，其厚度選擇有一個最優(yōu)解，當電極厚度為50 nm時，響應電壓最大為400 μV。

圖5 優(yōu)化電極提高Bi?Te?納米線光熱電探測器響應

接著研究了當電極厚度為50 nm時，具有不同熱導率的電極材料對Bi?Te?納米線光熱電探測器響應電壓的影響。如圖5（b）所示，隨著電極熱導率的降低，其響應電壓也隨之減小。在相同的電極厚度條件下，熱導率的增加使電極具有更強的熱傳導能力，其傳遞給Bi?Te?的熱量也就更多；而相同的表面積使電極向空氣中耗散的熱量變化很小。因此，通過電極材料的優(yōu)化，Bi?Te?納米線兩側的溫差得以增加。當使用Au作為電極材料時，響應電壓增大至3.4 mV，遠高于電極材料為Ni時的響應電壓。

對于微納結構的長波紅外與太赫茲光熱電探測器來說，當激光照射在器件中央時，由于光斑尺寸相較于器件過大，左右兩側產生的熱量相近，無法建立有效的溫差， 阻礙了低維材料光熱電探測器的應用。使用非對稱電極結構是一種常見的解決方法，由于不同材料熱導率的差異，電極左右兩側將產生不均勻的熱量吸收，從而存在溫差，輸出電信號。本文制作了左側電極為Ni，右側電極為Au的結構，其掃描響應電流成像如圖6（a）所示。由于熱導率的差異，左右兩側產生了非對稱的光熱電響應，Au電極上的響應電流高于Ni電極的，且響應面積更大。沿圖6（a）中的白色虛線，提取光響應電流在一維尺度上隨位置的變化，如圖6（b）所示，當光照射在Bi?Te?納米線中央時，也能產生有效的光信號。

圖6 非對稱電極結構的響應電流隨位置的變化

調制頻率對Bi?Te?納米線光熱電探測器性能的影響

最后研究了調制頻率對Bi?Te?納米線光熱電探測器響應的影響。如圖7（a）所示，當調制頻率分別為20、200、800 Hz時，該探測器均表現(xiàn)出穩(wěn)定的、可重復的開關響應。圖7（b）為探測器的帶寬分析，描述了響應電壓幅值隨調制頻率的變化，頻率為20 Hz ～ 10 kHz。光響應電壓幅值在1 kHz之前變化很小，之后隨著頻率的增加，響應電壓幅值呈線性急速下降。結果顯示，Bi?Te?納米線光熱電探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

圖7 調制頻率對Bi?Te?納米線光熱電探測器的影響

結論

通過控制生長區(qū)溫度，采用化學氣相沉積實現(xiàn)了Bi?Te?納米線的可控合成。制備了Bi?Te?納米線光電探測器，并研究其在長波紅外波段的響應，確定其響應機制為光熱電效應。調變電極材料與厚度，實現(xiàn)了高響應電壓輸出。進一步地，構造非對稱電極結構，解決了在全局光照明下微納光熱電探測器無輸出信號的問題。該探測器在10.6 μm激光照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，響應度可達17 V/W，響應時間為53 μs，噪聲等效功率為0.22 nW·Hz-1/2。本文的研究結果可為開發(fā)高性能的二維材料光熱電探測器提供參考，為小型化集成的長波紅外探測器提供新的思路。

審核編輯：劉清