【期刊】Nano Res.│基于石墨相氮化碳的宽波段位置敏感探测器

背景介绍

石墨氮化碳（g-CN）是一种独特的类石墨烯二维（2D）层状材料，具有元素储量丰富、生物相容性好、物理化学性质稳定、性加工成本低等优点，在光/电催化、生物成像、生物载药和太阳能电池等领域受到广泛关注。此外，g-CN还具有优异的光学和电学性能，是研究光电探测器的理想材料。

然而，由于缺乏大面积和高质量的g-CN薄膜，目前g-CN探测器多是使用不连续的g-CN纳米片制备的。由于g-CN纳米片存在大量缺陷，所以得到的探测器普遍存在响应度低，响应速度慢等缺点。在2021年，本课题组使用一种气相传输沉积法（VTC）合成了高结晶相的g-CN薄膜，制备的薄膜具有面积大、均匀性好、厚度可调、机械柔韧性好等特点，解决了g-CN薄膜的合成问题。此外，位置敏感探测器（PSD）作为光电探测器的一种，具有空间分辨率高、响应速度快、对光源/光学系统稳定性要求低、使用方便等优点，在光学追踪、汽车无人驾驶、微型机器人、生物医学应用等领域有重要的应用价值。为了保证PSD光斑检测的可靠性，要求半导体材料需具有大面积、均匀和连续性好等特点，高质量的g-CN薄膜适合于PSD器件制备。

成果简介

郑州大学金刚石光电材料与器件课题组杨珣、董林和单崇新等人从材料特性和器件性能两个方面出发，制备出大面积、高质量和均匀的g-CN薄膜，并开发出基于g-CN薄膜的宽波段位置敏感探测器。通过将高质量的g-CN薄膜原位生长在单晶硅衬底上，制备了g-CN/Si结构的PSD，获得的PSD具有响应速度快、探测范围宽、位置灵敏度高等优点。鉴于该PSD的优异性能，作者展示了其在非接触式轨迹追踪和声波检测领域的应用。

图文导读

图1 (a) g-CN的结构示意图；(b) g-CN/Si的光学显微照片；(c)g-CN/Si的AFM图片；(d) g-CN薄膜的XRD图谱；(e) TEM图片；(f) C 1s的高分辨XPS能谱；(g) N 1s的高分辨XPS能谱；(h) g-CN吸收和透过光谱；(i) g-CN薄膜的光致发光Mapping图像。

图2  (a) g-CN/Si异质结探测器示意图；（b）不同光照强度下探测器的I-V曲线；（c）探测器的响应谱；(d) 不同光功率下探测器的I-t曲线；（e）在800 Hz的光开关频率下，光电流随时间变化曲线；（f）高分辨的响应速度测试；(g) −1 V偏压下，光电流与光功率的依赖关系；(h) 响应度与光功率的关系；(i) 探测度与光功率的关系。

图3 (a)小电压范围内异质结在不同光功率下的I-V特性曲线；(b)开路电压与光功率的关系曲线；(c) 0 V电压下，不同光强下的I-t曲线；(d)光电流与光功率的关系曲线；(e)响应度与光功率的关系；(f)探测度与光功率的关系。

图4  (a) g-CN/Si异质结PSD结构示意图；(b)PSD在X和Y两个方向上电极之间的I-V特性；(c) 515 nm光照下，g-CN/Si异质结PSD在X和Y两个方向上的位置敏感曲线；(d) PSD在不同波长光照下的位置敏感曲线；(e)不同功率光照下PSD的位置敏感曲线；(f)位置灵敏度与光功率的依赖关系；(g) g-CN和Si的能带图；(h) g-CN/Si异质结在光照下的能带图；(i) PSD异质结中的载流子传输模型。

图 5 (a)光轨迹追踪的测试装置示意图；(b) PSD测试得到的光轨迹曲线；(c) PSD声波探测装置示意图；(d)声波频率为100 Hz时，振幅不同时的瞬态LPV响应；(e) 不同声波频率时的瞬态LPV响应；(f)使用PSD检测贝多芬的《命运交响曲》时，PSD的瞬时LPV响应谱；(g)图为(f)图LPV响应的局部放大。

作者简介

杨珣，郑州大学副教授，硕士研究生导师。博士毕业于中科院长春光学精密机械与物理研究所，2017年入职郑州大学物理学院金刚石光电材料与器件课题组。主要从事宽禁带半导体光电器件、金刚石材料制备及应用的研究。近年来在Adv. Mater.，Nano Letter.，Mater. Horiz.，Nano Res.，Carbon，Mater. Today Phys.等期刊以第一作者或通讯作者发表论文20余篇，先后主持国家重点研发计划子课题、河南省科技重大专项子课题、国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金特别资助等项目。董林，郑州大学教授、博士生导师、物理学院（微电子学院）教授委员会主任、河南省特聘教授、河南省杰出青年基金获得者。主要从事氧化物低维光电材料与器件的研究，在基于发光的触觉仿生器件、应力可视化成像、自供能电子皮肤等方面有丰富研究经验。先后主持国家自然科学基金5项及郑州市协同创新重大项目等课题，在Nat. Photon.、Adv. Mater.、Matter、Light Sci. Appl.等权威SCI期刊发表学术论文120余篇。
单崇新，郑州大学教授，博士生导师，郑州大学学术副校长，物理学院（微电子学院）院长，国家杰出青年基金获得者、中组部万人计划“青年拔尖人才”、人社部“百千万人才工程”及国家有突出贡献中青年专家、中国青年科技奖获得者。主要从事宽禁带半导体光电材料与器件研究工作，已发表学术论文300余篇，主持国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目等。
更多详情见课题组主页：http://www7.zzu.edu.cn/diamond/。欢迎各地学生报考攻读硕/博士学位。

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