吉大李全军教授、刘冰冰教授与北航郭林教授、杜轶教授《Adv. Opt. Mater.》：碘晶体光电性能的压力调控

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宽谱范围的光电探测，特别是近红外(NIR)区域的光电探测，对于光电显示、光通信和安全检测等诸多领域都有着重要的意义。然而，光电器件的工作光谱范围很大程度上取决于光电材料的光学带隙。为了获得宽波段的光敏材料，往往需要通过复杂的化学掺杂、构建异质结或超晶格等方式来调控带隙。这些方法虽然能够实现对光响应波段的调控，但仍然存在材料制备难度大、可控度低、器件工作光谱范围固定等缺点。因此，探索新的光电性能调控途径来实现高响应度和宽谱范围的光电探测，对光电探测器领域的发展具有重要的意义。

近日，吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授、李全军教授团队与北京航空航天大学郭林教授、杜轶教授等在《Advanced Optical Materials》期刊上发表了题为“Pressure Engineering for Extending Spectral Response Range and Enhancing Photoelectric Properties of Iodine”的文章（DOI: 10.1002/adom.202101163）。该文提出了一种利用高压调控功能材料光谱响应范围、增强其光电性能的新策略，并成功应用于具有二维层状结构的半导体碘上。利用压力调控碘的晶体和电子结构，实现了可见光照射下光电流的显著增强，最大光电流比初始值提升约4个数量级。 值得一提的是，在压力的作用下，碘的光响应范围成功扩展至近红外光(1064 nm)，其光响应特性也随压力增加表现出显著的增强趋势。这种增强的光电响应特性可归因于压力诱导碘分子电荷转移导致的平行碘分子之间区域差分电荷密度的显著增加，而拓展的近红外光谱响应则与压力作用下碘的能带结构变化有关，即压致带隙变窄导致的光学吸收边红移。这一工作进一步丰富了对材料光电性能高压调控的认识，对利用高压技术设计和实现连续可调的宽波段、高响应度的光电探测器件具有重要指导意义。

图1. 二维层状半导体碘的晶体结构，a. 侧视图，b. 俯视图；c. 碘在环境条件和5.2 GPa下的Raman 光谱；d.碘的X射线衍射光谱；e. 环境条件下碘的吸收光谱。

图2. a-b.高压下碘的光电性质测量实验装置原理图；c. 1.6 GPa时，碘在不同偏压和入射光强度下的光响应特性；d. 5 V偏压时，碘的光电流密度J_ph和响应度R对入射光功率密度的依赖性。e. 碘的I-V曲线。

图3. a-b.可见光全谱照射下，外加偏压为5 V时，碘的光电流、光电流密度J_ph和响应度R随压力的变化关系；c-e. 不同波长可见光照射下，外加偏压为5 V时，碘的光电流密度J_ph、响应度R，外量子效率EQE和比探测效D*随压力的变化关系。

图4. a. 压力诱导碘对1064 nm近红外光产生光电流的原理示意图；b-d. 波长为1064 nm近红外光照射下，外加偏压为5 V时，碘的光电流、光电流密度J_ph、响应度R，外量子效率EQE和比探测效D*随压力的变化关系。 

图5. 高压下碘的电子结构和光学性质。a-b. 碘在环境条件和10 GPa时的能带结构；c. 碘的带隙随压力的变化关系；d. 碘的分子内振动模式（B_3g(S)和A_g(S)）和分子间振动模式（B_3g(L)和A_g(L)）的拉曼频率随压力的变化关系，插图表示相对应的碘分子振动模式图；e. 碘分子的最近邻和次近邻分子间距离随压力的变化关系；f. 不同压力下碘的差分电荷密度图；g-h.理论模拟得到的不同压力下碘的光学吸收系数和光电导率。 

论文第一作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室李宗伦博士，通讯作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室李全军教授、刘冰冰教授和北京航空航天大学郭林教授、杜轶教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助支持。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202101163

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