南京大學 AFM: 基于二維Bi2O2Se納米片的高靈敏和超寬帶光電晶體管

【背景介紹】

如今，包含紫外光（UV）、可見光（Vis）和近紅外（NIR）的寬光譜響應光電晶體管被廣泛用光電領域。雖然常用的石墨烯、過渡金屬二鹵化物（TMD）、黑磷（BP）和InSe等2D材料被大量用于光電晶體管，但是它們都有各自的優缺點。石墨烯具有無間隙性質而在很寬的光譜范圍內與光子有很強的相互作用，但是單層碳原子相對較低的吸收率限制了其光響應性（R）。TMD具有出色的R，但它們的響應速度很慢。BP和InSe具有出色的寬帶光電性能，但是它們在周圍環境中的不穩定性阻礙了它們的應用。眾所周知，理想的光電晶體管應具有響應速度快，在寬光譜范圍內具有高靈敏度和空氣穩定性。顯然，目前常用的2D材料無法達到。近年來，具有良好性能且空氣穩定的層狀Bi₂O₂Se是一種很有前途的新型2D半導體。通過磁傳輸測量發現2D Bi₂O₂Se表現出很強的自旋軌道相互作用，同時在2 K時保持約28900 cm₂ V^-1 s^-1的高遷移率。雖然基于Bi₂O₂Se的場效應晶體管（FETs）具有出色的電流開/關比，及近乎理想的亞閾值擺幅，但是目前很少評估覆蓋UV、Vis、NIR光譜范圍的Bi₂O₂Se光電晶體管的光子檢測性能。

【成果簡介】

近日，南京大學的徐永兵教授、張榮教授、王學峰教授、王楓秋和中科院上海技術物理研究所的Weida Hu（共同通訊作者）聯合報道了一種具有高光敏響應（R）的寬頻帶光電晶體管，該晶體管由高質量的大面積Bi₂O₂Se納米片組成。該裝置包括了室溫下的UV、Vis和NIR波長范圍，其中在360 nm處最大R為108696 A W^-1。在405 nm光照下，該器件的外量子效率、R和探測率（D*）分別達到1.5×107%、50055 A W^-1和8.2×10¹² Jones。在這些2D Bi₂O₂Se光電晶體管中同時實現高靈敏度、快速響應和高穩定性，非常有助于在高質量的UV和IR成像領域的應用。該研究成果以題為“Sensitive and Ultrabroadband Phototransistor Based on Two-Dimensional Bi₂O₂Se Nanosheets”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、CVD合成Bi₂O₂Se及其表征
（a）用Bi₂Se₃和Bi₂O₃的共蒸發在云母上合成Bi₂O₂Se納米片的改進CVD方法的示意圖；

（b）在云母上合成的2D Bi₂O₂Se納米片的典型光學顯微鏡圖像；

（c）生長中的Bi₂O₂Se的AFM形貌；

（d）Bi₂O₂Se納米片的HAADF圖像和插入物中描述的相應快速傅里葉變換（FFT）；

（e-h）（e）Bi₂O₂Se納米片的HAADF圖像以及（f）Bi、（g）O和（h）Se的相應元素圖；

（i-k）Bi₂O₂Se納米片的XPS光譜。

圖二、頂柵Bi₂O₂Se光電晶體管在405 nm波長處的光電特性
（a）云母上的頂柵Bi₂O₂Se光電晶體管的示意圖；

（b）具有不同光功率的設備的頂柵傳輸曲線（I_ds-VG）；

（c）頂柵Bi₂O₂Se器件的R和I_ph相對于不同的光學照明功率密度；

（d）在405 nm的激光照射下設備的EQE；

（e）Bi₂O₂Se的時間分辨光響應；

（f）歸一化的光響應與光調制頻率的關系。

圖三、頂柵Bi₂O₂Se光電晶體管的可調光響應
（a）在不同的頂柵電壓下，光電晶體管的時間響應；

（b-c）提出了基于能帶的示意性機理來解釋觀察結果。

圖四、寬光譜范圍內的光電響應和載流子動力學
（a）R是在360、405、532、808、1310和1550 nm波長處入射光功率的函數；

（b）從頂部柵極Bi₂O₂Se器件的UV波段到NIR波段的光譜R；

（c）在360 nm波長下R具有不同的入射功率和VG偏置的依賴性；

（d）Bi₂O₂Se在1550 nm處的時間分辨光響應。

圖五、940 nm下的光電流映射和能帶圖
（a-g）Bi₂O₂Se器件在940 nm連續激光照射下在不同偏壓下的光電流圖像；

（h-n）不同偏壓下半導體Bi₂O₂Se的能帶圖。

圖六、成像測量中的紫外線波長和穩定性測試
（a）單像素成像配置；

（b）使用單像素成像技術對“南京大學”進行紫外線成像；

（c）Bi₂O₂Se器件在制造的環境條件下以及兩個月后在1310 nm波長下的光響應。

【總結】

綜上所述，作者利用改進的CVD方法生長的高質量大面積的Bi₂O₂Se納米片，制備出了Bi₂O₂Se光電晶體管。該裝置的光檢測波長覆蓋了UV-NIR（360-1800 nm）波長范圍，在360 nm處R達到108696 A W-1（目前最高值）。在405 nm的光照下，EQE接近1.5×107%，是目前已報道的2D半導體中的新記錄，大約比其他化學氣相沉積的2D半導體高出兩個數量級。Bi₂O₂Se納米片具有良好的光電特性，不僅是制造先進的光學傳感器件和低功耗場效應晶體管的有價值的候選材料，而且是制造集成電路的有效元件。

文獻鏈接：Sensitive and Ultrabroadband Phototransistor Based on Two-Dimensional Bi₂O₂Se Nanosheets（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905806）

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.