Nano Lett.∣高效载流子倍增实现紫外光电探测器EQE突破

日期:2024-06-07 阅读:658
核心提示:东北师范大学徐海阳教授团队和国家纳米科学中心刘新风研究团队在Nano Letters 上发表利用高效CM实现自驱动紫外γ-InSe/Gr光电探测器EQE超过161%的研究工作。

 英文原题:Efficient Carrier Multiplication in Self-powered Near-ultraviolet γ-InSe/graphene Heterostructure Photodetector with External Quantum Efficiency Exceeding 161%

通讯作者:刘新风(国家纳米科学中心);徐海阳、刘为振(东北师范大学)

作者:Yuanzheng Li (李远征), Jiayu Pan (潘佳钰), Chuxin Yan (闫楚欣), Jixiu Li (李济修), Wei Xin (辛巍), Yutong Zhang (张语童), Weizhen Liu (刘为振), Xinfeng Liu (刘新风), Haiyang Xu (徐海阳), and Yichun Liu (刘益春)

近年来,随着紫外(UV)光在医疗、军事、通信等关键领域内的广泛应用,对高性能、高集成度、低功耗的紫外光探测器的需求呈现出持续增长的态势。传统三维半导体基紫外光电探测器在集成度和柔性等方面遭遇的瓶颈,愈发凸显出低维半导体材料在光电探测领域中的应用潜力。二维层状材料因其无悬挂键的表面和优异的光电性能,为开发高度集成和性能优异的紫外光电探测器提供了理想平台。更重要的是,载流子倍增效应(Carrier multiplication,CM)即一个入射高能光子可以产生两个甚至多个电子-空穴对的过程,在二维强限域体系中展现出低阈值和高转换效率的特点,为构建具有超高响应度的自驱动紫外光电探测器带来了巨大可能性。特别是石墨烯(Gr),以其独特的零带隙特征,能够显著增强CM过程。然而,其有限的光吸收能力使Gr基光电探测器无法有效利用CM提升器件外量子效率(External quantum efficiency,EQE)。虽可添加光吸收层增强Gr对光的吸收,但如何将光吸收层中产生的高能载流子高效转移至Gr,而有效避免高能载流子的热弛豫过程,仍是一个亟待解决的重要挑战。

图1.(a)γ-InSe/Gr探测器中有效实现CM和(b)本工作设计思路示意图。

近日,东北师范大学徐海阳教授团队和国家纳米科学中心刘新风研究团队在Nano Letters 上发表利用高效CM实现自驱动紫外γ-InSe/Gr光电探测器EQE超过161%的研究工作。基本的设计思想为选取γ-InSe作为紫外光吸收层与Gr构建异质结,利用Gr与γ-InSe准欧姆接触的特性,构建单侧肖特基结的器件结构(Au/γ-InSe/Gr),引入强的内建电场实现γ-InSe中高能载流子有效转移至Gr中,进而获得高效的CM过程(图1b)。

图2. γ-InSe/Gr探测器自驱动性能与紫外探测性能

通过变光功率密度I-V测试以及短路电流与光功率密度的幂律拟合(图2a-c),证实该探测器展现出了优异的自驱动性能,并且具备高效的光生载流子分离能力。其高达0.57 V的开路电压,充分证明了内部构建了强大的内建电场。相较于没有内建电场的Gr/γ-InSe/Gr探测器,该探测器在短波长,尤其是紫外光波段,展现出的增强光电流(图2d)。特别是在360 nm波长的激发下,γ-InSe/Gr器件展现出了高达468 mA/W的超高响应率和161.2%的EQE(图2f)。通过零偏压下的光电流扫描图证实了“理想紫外光吸收层”与“强内建电场”协同完成CM效应的工作机理(图3a)。在紫外光照射下,内建电场可以有效地分离耗尽区产生的高能电子-空穴对,随后驱动高能电子向Gr转移,进而实现高效的CM过程(图3b)。随着光照位置远离肖特基结界面区域(即远离耗尽区域,区域2),相应的内建电场逐渐减弱,甚至可能完全消失。此时,即使在相同的紫外吸收下,光生的高能电子-空穴对却无法有效分离并转移到Gr,从而大大限制了CM过程(图3c)。时间分辨荧光光谱、激发光功率与短路电流幂律拟合(α>1)以及随激发光子能量线性增加的内量子效率等结果实验验证了高能载流子的有效分离、转移以及CM过程。

图3. γ-InSe/Gr探测器协同效应实现CM的工作机制及验证

总结展望

本文研究团队成功构建了一种自驱动紫外γ-InSe/Gr光电探测器,不仅实现了高效的载流子倍增(CM)效应,而且在360 nm的光照下,获得了468 mA/W超高响应度和创纪录的161%外量子效率。该工作为构建新一代高性能、低功耗的紫外光电探测器提供了新的思路和一种可行的方案。

相关论文发表在Nano Letters 上,东北师范大学李远征副教授为文章的第一作者,东北师范大学徐海阳教授、刘为振教授、国家纳米科学中心刘新风研究员为共同通讯作者。

通讯作者信息

徐海阳 东北师范大学

徐海阳,教授,博士生导师。2006年于中科院长春光学精密机械与物理研究所获博士学位,现工作于东北师范大学物理学院。国家杰出青年科学基金、优秀青年科学基金获得者。主要从事氧化物半导体信息功能材料与器件研究,近年来在忆阻材料与新型信息器件、发光材料与发光物理等方面取得系列研究进展;相关成果获2015年度和2019年度国家自然科学奖二等奖(排名第2和第3位)。

刘新风 国家纳米科学中心

刘新风,研究员,课题组长,博士生导师。国家杰出青年科学基金、青年拔尖人才获得者。研究方向为微区超快光谱及应用,近年来在Science, Nat. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Nano Lett.等学术期刊上发表研究论文260余篇,引用超过2万次,H因子73。并担任Nat. Nanotech., Nat. Commun., Sci. Adv., Nano Lett., JACS等国际学术期刊审稿人。

刘为振 东北师范大学

刘为振,教授,博士生导师,教育部国家重大人才工程青年学者,吉林省高层次人才。2014年于东北师范大学获得理学博士学位,主要从事低维光电半导体材料与器件物理研究,面向国家重大战略需求,在宽禁带氧化物半导体材料与器件、新型层状半导体材料合成与物性研究等领域开展了系列创新性研究工作,相关结果以第一/通讯作者发表于Nano Letters、Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews等SCI检索期刊40余篇,SCI他引1300余次,H因子26。

 

(本稿件来自ACS Publications)

论文原文:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01238

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