深圳大学张晗、郭志男Adv. Sci.:基于石墨烯隔离层的纳米二维范德华力异质结构的光电探测器

【引言】

具有纳米可操作界面的原子层2D材料由于其出色的机械、电学和光电特性而在高性能光电检测应用中具有很大的吸引力。可以在不考虑晶格失配的情况下通过范德华（vdW）力将不同2D材料组合为2D异质结构。这种方法扩展了基于2D材料的光电器件在实际应用中的设计策略。基于二维vdW异质结的光电探测器在原子尺度上的性能比常规本体异质结对异质结的纳米界面更为敏感。在纳米级异质结界面上观察到了p-n型vdW异质结中的层间重组。当多数载流子的浓度差异较大时，间接复合成为重组的主要机制，其起源于异质结界面处的缺陷/陷阱状态。因此，二维vdW异质结中的缺陷/陷阱状态是限制光检测性能进一步提高的重要原因。

【成果简介】

由于2D材料具有独特的电子和光电特性，因此在基于2D范德华力异质结构的光电探测器中获得了巨大的成功。与常规的本体异质结相比，基于光电探测器的2D vdW异质结在原子尺度上的性能对异质结的纳米界面更敏感。深圳大学张晗、郭志男&纽约州立大学布法罗分校Paras N. Prasad展示了一种纳米异质结构：作者在黑磷（BP）和InSe之间插入石墨烯层的纳米界面，该层抑制层间复合并大大提高了光检测性能。此外，器件的传输特性由石墨烯引起，从少数载流子的扩散运动到多数载流子的漂移运动。这两个原因加上内部的光发射效应，使得基于BP/G/InSe的光电探测器在室温下具有超高的特异性。结果表明，高性能的vdW异质结构光电探测器可通过对异质结界面进行纳米级的简单结构操作来实现。该成果以题为“Repression of Interlayer Recombination by Graphene Generates a Sensitive Nanostructured 2D vdW Heterostructure Based Photodetector”发表在Adv. Sci.上。

【图文导读】

图1.BP/G/InSe vdW异质结的结构和传输行为

a）BP/G/InSe光电探测器的截面结构示意图 b）设备的AFM图像 c）器件的BP，G和InSe重叠部分的拉曼光谱 d）BP/InSe和BP/G/InSe器件的输出曲线表明，插入G后BP/G/InSe的整流方向反向，并且其正向电流增加 e）接触前BP，G和InSe的能带图 f）BP/G/InSe设备的传递曲线

图2.BP/G/InSe异质结中的层间电荷转移

a-c）InSe，BP和BP/G/InSe异质结构的瞬态吸收光谱 d）从独立的InSe和BP/G/InSe异质结构获得的InSe PIA信号的测试和拟合结果 e）从单独的BP和BP/G/InSe异质结构获得的BP PIA信号的测试和拟合结果 f）BP/G/InSe异质结构中电荷转移的示意图

图3.BP/G/InSe设备的光响应性能

a）在低照明功率下与波长有关的R和EQE值 b）红点：在Vds = 1V，Vg = 0 V时，不同波长的激光照射的D*曲线。蓝点：在Vds = 1V，Vg = 0 V时，不同波长的激光照射的光电流/暗电流比曲线。c）在Vds = 0.5 V，Vg = 0 V的不同波长的激光照射下，光电流和暗电流曲线的时间依赖性 d）在不同波长的各种光功率下的光电流

图4.BP/G/InSe设备中的内部光发射效应

a）具有Au电极和Cr电极的InSe-FET器件在2000 nm激光照射下的I_d–V_d曲线 b）对应于2000 nm激光激发的光响应示意图

【小结】

文章证明了简单的纳米结构，可以操纵BP和InSe之间的纳米界面上光生载流子的层间重组动力学，从而实现具有灵敏光电检测性能的2D BP/G/InSe vdW异质结构。G的插入将器件的传输特性从少数载流子的扩散（p-n型）改变为多数载流子的漂移运动（肖特基型），从而提高了光电检测性能。这个设备的D*在室温下在532和2000 nm的激发波长下分别高达3.19×10¹⁵和3.44×10¹⁴ Jones。如此高的光电检测性能比当前最先进的2D异质结构器件有了显着进步，对于灵敏的光电检测（尤其是IR范围）尤其有希望。石墨烯对异质结界面的有效结构操纵提供了一种简单的方法来设计未来的基于2d vdW异质结构的光电器件。。

文献链接：

Repression of Interlayer Recombination by Graphene Generates a Sensitive Nanostructured 2D vdW Heterostructure Based Photodetector. Adv. Sci., 2021, DOI:10.1002/advs.202100503