厦门大学课题组在超高响应度日盲光电探测纸研究重要进展

日期:2022-06-16 阅读:229
核心提示:对于190-285 nm波段的阳光,地表是它的禁区。这一波段的阳光在穿越大气层的过程中会被完全吸收,以至于在我们的生活空间内,几乎
对于190-285 nm波段的阳光,地表是它的禁区。这一波段的阳光在穿越大气层的过程中会被完全吸收,以至于在我们的生活空间内,几乎探测不到它的存在,“日盲”故此得名。如若在地表监测到日盲紫外光信号,无疑代表导弹发射、炸药爆炸、火灾、强闪电等特定事件的发生。因此,对日盲紫外信号的监测在特定领域意义重大。目前,传统日盲紫外光电探测器仍多采用硅材料,虽可实现紫外探测,但其效率并不理想,结构较为复杂,功能较为单一。

成果掠影
近日,厦门大学蔡端俊教授陈小红教授、李静教授团队在Small期刊发表了题为“Upconversion under Photon Trapping in ZnO/BN Nanoarray: An Ultrahigh Responsivity Solar-Blind Photodetecting Paper” 的最新研究成果论文,并被选为封面文章。该工作报道了在h-BN/Cu纸表面直接异质外延超长垂直的ZnO纳米柱阵列,并结合新型Cu纳米线透明柔性电极3D喷涂技术,成功研发了一种隧穿型柔性日盲紫外光电探测纸。在临界偏压(3.9 V)下,实现了单一半导体器件对日盲紫外光(< 280 nm)和近紫外光(365 nm)的可切换探测,展示出超高的光电响应:R @ 700 A/W、EQE @ 2×103 @ 265 nm,R @ 8697.7 A/W、EQE @ 3×104 @ 365 nm,远超传统的宽禁带半导体光电探测器体系,是目前国际上所报道的最高值之一。同时,该光电探测纸具有很好地柔韧性、稳定性和抗疲劳性,为未来多功、智能和高效的日盲紫外探测和可穿戴应用开辟了可能性,预示着巨大的商用价值。

核心创新点
该团队提出并设计高规整 ZnO 纳米柱阵列深光子陷阱,增强日盲紫外光子俘获,构建h-BN/ZnO 异维强电场界面实现光电倍增,以及利用微分负电阻(NDR)效应驱动光电子上转换转移。具体地:(1)利用二维 h-BN范德华弱作用力界面释放ZnO与Cu纸之间的失配应力,诱导生长高规整 ZnO 纳米柱阵列;(2)提出Cu纳米线顶层透明网络电极3D喷涂技术,增加日盲紫外光子透过,并通过顶层Cu纳米线扰乱入射光子传播路径实现光子在ZnO 纳米柱阵列内的多级反射,将紫外光子吸收度提升 > 99.5%;(3)二维h-BN 介质膜增加Cu/ZnO 异维界面势垒高度,降低器件暗电流,同时形成界面电荷堆积,强化内电场,增强载流子在隧穿过程中的碰撞电离,提升器件的光增益;(4)利用NDR效应诱导ZnO相邻能谷间的光电子转移,形成能量分立的3.4 eV/4.5 eV光子吸收阱,在国际上首次成功利用NDR效应实现了基于单一半导体材料的可调双波段(UVA/UVC)探测。

数据概览

图1. a)Cu基二维h-BN薄膜及其 b) HR-TEM图、c) Raman光谱;d) 无、e) 有h-BN诱导层的Cu 基 ZnO阵列;f) ZnO阵列(青色)及其籽晶层(粉色)的Raman光谱;g,h)ZnO阵列及其Cu 纳米线顶层网络透明电极;i)Cu 纳米线网络的透光率与方阻关系。

图2. Cu纳米线和ZnO阵列共增强紫外光子俘获 (a, b) 示意图;c)不同角度和波长入射光下,ZnO阵列内的模拟电场分布,绿色虚线为光子传播深度;d, e) 不同角度和波长入射光下,ZnO阵列结构与平面结构的吸光度;f) 有无Cu纳米线顶层网络时ZnO阵列的吸光度。

图3. a)日盲紫外光电探测纸的结构示意图及其b) 能带结构;c,d) APSYS 软件模拟的器件的电场分布和I-V曲线;e)暗态(青色)和紫外光(粉色)辐照下器件的 I-V 曲线;f,g)纤锌矿结构ZnO的能带结构;g) 在强电场作用下,光电子从近紫外区上转换到日盲紫外区示意图;h,i) 不同偏压下器件的光电流与入射紫外光波长的关系:呈现探测波段可调特性。

图 4.日盲紫外光电探测纸的灵活性、可靠性和超高响应度展示:a) 柔性 PET 基板上的Cu纳米线的柔韧性和可靠性测试;b,c) 不同弯曲状态下器件的I-t;d) 器件经500 次弯曲测试后的I-t;e) 对业内基于不同半导体材料的普通/柔性紫外光电探测器的高响应度总结。

成果启示
本课题组研发了一种柔性日盲紫外光电探测纸器件,可通过调控临界外偏压在近紫外和日盲紫外信号之间进行切换检测。该器件具有强大的可靠性和超高的响应度,响应度最高可达700 A/W @ 265–276 nm,8697.7 A/W @ 365 nm。本论文工作对于从新维度、新结构、新物理、新功能等多方面探索智能、多功日盲紫外柔性光电子器件具有积极意义。

论文信息

该论文工作由厦门大学作为第一单位完成,博士生刘国振为第一作者,蔡端俊教授和陈小红教授为该论文的通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省科技计划等项目的资助。
文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202200563

(来源:材料人)
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