近期，電子科技大學(xué)陳超副研究員和王軍教授及其團(tuán)隊(duì)在Advanced Optical Materials期刊上發(fā)表了題為“High-Performance Visible to Near-Infrared Broadband Bi2O2Se Nanoribbon Photodetectors”的最新論文，文中構(gòu)建了Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)和低噪聲的寬光譜光電探測(cè)器，本研究為高性能可見光-近紅外（VIS-NIR）光電探測(cè)器的應(yīng)用提供了新的契機(jī)。
圖1 基于Bi2O2Se納米帶的光電探測(cè)器的光電性能（波長(zhǎng)650nm）
低維硒氧鉍（Bi2O2Se）由于其合適的電子帶隙 (≈0.8eV）、高載流子遷移率（300K時(shí)≈450cm2V?1s?1）、良好的空氣穩(wěn)定性和環(huán)境無(wú)毒性，使其成為可見光–近紅外光電探測(cè)的理想選擇。然而，其高載流子濃度導(dǎo)致基于Bi2O2Se納米片的探測(cè)器存在較大暗電流。為了解決這個(gè)問(wèn)題，此前的研究主要通過(guò)柵極電壓調(diào)節(jié)和構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)限制暗電流。但施加極高的柵極電壓增加了器件的功耗，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)增加了工藝的復(fù)雜性。此外，所報(bào)道的Bi2O2Se光電探測(cè)器在近紅外波段較慢的響應(yīng)速度（毫秒級(jí)），限制了其在高速檢測(cè)中的應(yīng)用。
針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au結(jié)構(gòu)，成功制備了高性能的光電探測(cè)器：通過(guò)納米帶結(jié)構(gòu)極大地限制器件的暗電流，Au/Bi2O2Se之間的肖特基勢(shì)壘極大地提升光響應(yīng)速度。具體而言，通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）可控制備了不同寬度的Bi2O2Se納米晶體。相比于納米片（寬度W>5μm）結(jié)構(gòu)，納米線（W<1μm）和納米帶（1μm<W<5μm）結(jié)構(gòu)需要更低的沉積溫度和壓強(qiáng)，同時(shí)它們的生長(zhǎng)取向僅存在三個(gè)角度（互為60°），這與云母襯底K原子對(duì)Se原子因靜電作用而產(chǎn)生的約束相關(guān)?；诓煌瑢挾菳i2O2Se納米晶體制備了光電導(dǎo)探測(cè)器，寬度分別為0.5μm、3μm和18μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了寬度為3μm的納米帶光電導(dǎo)器件擁有更好的探測(cè)性能：納米帶探測(cè)器的暗電流相比納米片探測(cè)器下降四個(gè)數(shù)量級(jí)，而亮電流僅下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。即納米帶器件的信噪比比納米片器件高三個(gè)數(shù)量級(jí)。而對(duì)于納米線器件，在暗電流下降的同時(shí)引起了光電流的急劇下降，對(duì)器件性能提升不大。因此，Bi2O2Se納米帶被認(rèn)為是更有可能實(shí)現(xiàn)高性能探測(cè)的材料平臺(tái)。此外，通過(guò)Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了肖特基接觸，團(tuán)隊(duì)極大地提升了光電探測(cè)器的響應(yīng)速度。得益于肖特基勢(shì)壘區(qū)高強(qiáng)度電場(chǎng)，產(chǎn)生在這一局部區(qū)域地光生載流子迅速漂移至電極形成光生電流，這要比歐姆接觸型器件中均一分布的電場(chǎng)擁有更高的載流子解離效率和漂移速度。提出的基于Bi2O2Se納米帶的光電探測(cè)器在405nm-1550nm波段表現(xiàn)出較好的探測(cè)性能。更具體地說(shuō)，當(dāng)波長(zhǎng)為650nm和1550nm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間分別為2.1μs和313μs，相應(yīng)的最佳探測(cè)率分別為3.28×1013Jones和8.07×10?Jones。此外，該器件達(dá)到81kHz的-3dB帶寬，當(dāng)波長(zhǎng)為650nm時(shí)，在5V偏壓下表現(xiàn)出3.2×10?AW?1的響應(yīng)度。綜上所述，本研究為高性能可見光-近紅外光電探測(cè)器的應(yīng)用提供了新的契機(jī)。
圖2 基于Bi2O2Se納米帶的光電探測(cè)器的響應(yīng)速度和頻率特性（波長(zhǎng)650nm）
圖3 基于Bi2O2Se納米帶的光電探測(cè)器在寬光譜范圍內(nèi)的光電響應(yīng)
論文第一作者為電子科技大學(xué)碩士生魏于超，通訊作者為其導(dǎo)師陳超副研究員和王軍教授，此研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61922022, 61875031, 62104026）支持。
論文信息：
https://doi.org/10.1002/adom.202201396
