东北林大冯伟教授团队《ACS Appl. Nano Mater.》:在混合维范德华异质结光电探测器方面取得新进展

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近期，东北林业大学冯伟教授团队在混合维范德华异质结光电探测器方面取得新进展，通过合理能带设计将2D InSe与3D Si相集成构筑自驱动光电探测器，克服了InSe基光电导型光电探测器需要外加工作电压以及较大的暗电流等缺点。文中对光电探测器器件电学和光电性能深入探究，电学和光响应性能优于绝大多数2D InSe的范德华异质结构；并进一步验证混合维InSe-Si范德华异质结光电探测器对可见光具有良好的光成像能力，证明InSe-Si范德华异质结光电探测器在高性能光电器件中具有较大应用前景。相关成果以标题为“Mixed-Dimensional InSe−Si Heterojunction Nanostructures for Self- Powered Broadband Photodetectors”发表在ACS Applied Nano Materials。 
示意图1：a) InSe-Si 范德华异质结3D晶体结构；b) 2D-3D InSe-Si范德华异质结光电探测器构筑过程。 


图 1为InSe-Si 范德华异质结光电探测器的形貌和结构表征。a) InSe-Si范德华异质结光电探测器的示意图；b) InSe-Si范德华异质结光电探测器的光学图像；c) InSe、Si和InSe-Si范德华异质结的拉曼光谱；d)  InSe、Si和InSe-Si范德华异质结的PL光谱。

2D InSe具有良好的机械性能且表面无悬键，因此可以忽略晶格失配的问题与3D Si相集成。本实验通过微转移平台进行异质结构的构筑，并对InSe-Si范德华异质结进行一系列表征。通过PL（图1d）表征可以看出，InSe-Si异质结处的PL峰强度相较于InSe大大降低，表明多层InSe的载流子在异质结区转移到了Si,证明了多层InSe和3D Si之间的良好接触。


图2为InSe-Si范德华异质结光电探测器的电学表征。a）InSe-Si范德华异质结光电探测器的I-V曲线；b)在零栅极电压下测量的各种2D-InSe基异质结和混合2D-3D范德华异质结的整流比，包括InSe-Se²³、InSe-Te²¹、InSe-AsP²²、InSe-GaTe¹⁹、InSe-BP²⁷、MoS₂-InSe²⁸、InSe-GaSe¹⁸、InSe-GeAs²⁹、MoS₂-Si²⁴、WS₂-Si³⁰和MoSe₂-Si³¹。 
图 3为 InSe-Si 光电探测器的光响应特性。a) InSe与Si接触后能带对齐；b) 由波长为 300- 1000 nm 的光照射的自驱动光电探测器的 I-T 曲线；c) InSe-Si范德华异质结光电探测器在 400 nm 不同功率强度下的 I-V 曲线；d-f) 分别为 在400 nm不同偏置电压下的 R、D*、EQE 值。

表1为基于二维 InSe的范德华异质结光电探测器的光响应性能比较


图4为InSe-Si范德华异质结自驱动光电探测器的快速光开关稳定性和响应速度。a)在400 nm 波长照射下自驱动光电探测器的稳定性测试；b)在400 nm波长照射下自驱动光电探测器的响应速度。

文中对范德华异质结光电探测器电学和光电性质进行探究，证明范德华异质结光电探测器有良好的整流效果，在±1V的较小偏压下具有5×10³的高整流比，这超过了在零栅压下所有其他基于二维InSe范德华异质结。InSe-Si 范德华异质结可被作为自驱动光电探测器，其响应范围从300 nm到1000 nm。该自驱动光探测器显示了高的光响应性能，其响应值为37.3 mA/W，响应速度为32 ms且表现出良好的稳定性。在-1.0 V的偏压下，响应值和探测值分别增加到0.94 A/W和2.5×10¹²Jones。其光响应特性优于大多数其他基于二维InSe的范德华异质结光电探测器。 
图5为混合维 InSe-Si 范德华异质结光电探测器的成像能力。a)成像系统示意图；b)从图像扫描系统获得的图像，偏置为 -0.3 V；c)沿图 5b 中的蓝线获得的检测信号；d)在242-293之间电流的放大信号。
此外，2D-3D InSe-Si 范德华异质结光电探测器对可见光具有良好的光学成像能力。这项工作表明，混合维 2D-3D InSe-Si 范德华异质结光电探测器在高性能光电器件应用中具有巨大潜力。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsanm.1c03100

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