中科院纳米能源所王中林院士课题组《Nano Letters》:利用材料之间耦合诱导出的热释电-光电效应实现对光电探测器性能的优化

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传统钙钛矿材料具有优异的压电、热释电等性能，而第三代半导体氮化镓在紫外光电、功率器件等方面的突出表现使其成为国家战略材料，然而能同时利用两者优势的交叉研究还很匮乏。尤其是在光电探测领域，由于制备工艺复杂、光响应度低、载流子迁移率低等问题，传统块体结构钙钛矿在光电探测领域并未得到广泛关注，而纯粹基于氮化镓异质结的光电探测器制备成本又较高，如果能将传统钙钛矿材料与第三代半导体氮化镓有机结合，开发简单、低廉、环保、高效的自驱动光电探测器在该领域将具有重要意义。

中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组最近在《Nano Letters》期刊上发表了题为“Self-powered high-responsivity photodetectors enhanced by pyro-phototronic effect based on BaTiO₃/GaN heterojunction”的文章（DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03171）。为了优化光电探测器响应度及响应速率，该课题组采用溶胶-凝胶法设计制备出一种三明治薄膜夹层结构，将传统钙钛矿钛酸钡制成纳米级薄膜层夹在与氮化镓形成的异质结及与金电极形成的肖特基势垒之间，利用材料之间耦合诱导出的热释电-光电效应实现对光电探测器性能的优化。该制备工艺及结构优势体现在以下三个方面：一、利用工艺简单、快捷且成本低廉的溶胶-凝胶法制备钛酸钡纳米级薄膜，大大增加了紫外透光率，克服了由于传统钛酸钡块体陶瓷片状材料表面粗糙及厚度大而导致的光损失，提高了氮化镓层的紫外光吸收；二、纳米级薄膜限域结构相较于块体结构能够获得更高的自发极化电场，为自驱动光电探测的信号输出提供更强的驱动力，同时纳米级薄膜也有益于光生载流子的传输和收集；三、钛酸钡具有优异的热释电性能，在光照瞬间能够产生更为灵敏的热释电光电信号，氮化镓具有较高的光吸收率和电子迁移率，所形成的异质结大大提高了紫外光电探测的响应度和响应速率。同时三明治界面处的势垒高度可以通过冷却和电场极化得以调控，经过冷却和预极化处理后，热释电光电流及普通光电流强度分别提高了1348%和1052%，且响应时间也得到了充分的优化。该自驱动热释电-光电探测器为实现室温超快紫外光电传感提供了新的设计原理和思路，使其在高效环保的光电探测领域具有更加广泛的应用前景。该工作第一作者为广西大学研二的联培学生张月铭，通讯作者为中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和朱来攀副研究员。
 
图1  BTO/GaN薄膜光电探测器的结构及表征 (a) 自驱动器件的结构示意图；(b) 器件光学照片；(c1) 薄膜厚度截面扫描电镜图；(c2) BTO/GaN薄膜的能量色散光谱图；(d) 拉曼光谱；(e) 光致发光光谱；(f) 紫外-可见照射下的吸收光谱图  
图2  BTO/GaN薄膜的基本电学性能 (a) 电滞回线图；(b) 压电曲线；在暗环境和功率密度为4.68 mW/cm²的激光照射下，自驱动光电探测器 (c) 在极化前和 (d) 在10 V的直流电压下极化10分钟后的I-V特性曲线 图3  自驱动BTO/GaN薄膜光电探测器的性能 (a) 在自然条件下，仅在不同功率密度下探测器的I-t响应特性曲线，插图为测试示意图及放大的I-t图；(b) “光+冷却”系统下的I-t曲线，插图为测试示意图；(c) 10V直流电预偏化10 min后器件在“光+冷却”系统下的I-t曲线，插图为测试示意图；(d)、(e)和(f)为图3(a)、3(b)、3(c)中I_pyro和I_photo的数值提取，右侧为相应条件下I_pyro/I_photo的变化。(g) 分别在自然状态（室温下无极化）和冷却系统，不同偏置电压对I-t输出影响的比较
  
图4  自驱动BTO/GaN薄膜光电探测器在不同偏压下的热释电-光电性能 (a-d) 在一定功率密度紫外激光照射下，器件在不同偏压下的I-t响应曲线(a) 0.1 V；(b) 0.2 V；(c) 0.3 V；(d) 0.4 V；(e) I_pyro和I_photo在光照和冷却系统下的响应时间提取，插图为瞬时响应上升/下降边缘的x轴放大图
  
图5  自驱动BTO/GaN薄膜光电探测器的工作机理图 (a)单周期输出放大图，分为四个阶段，标记为“I”、“II”、“III”和“IV”；(b) 对应于5(a)中四个阶段的热释电-光电工作机制示意图；(c-e) BTO/GaN薄膜器件的能带图：(c) 自然条件；(d) 直流偏压预极化后；(e) 冷却系统条件下；(f) 相关应用领域的最新成果对比图 

相关链接

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03171

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