厦门大学程其进副教授团队——高性能石墨烯纳米墙/Si自驱动光电探测器的突破性进展 | MDPI Nanomaterials

文章导读

石墨烯因其卓越的光电性能 (如超高载流子迁移率和超宽带光吸收) 在光电器件领域展现出巨大潜力。然而，石墨烯/Si异质结光电探测器的性能常受限于生长过程中的缺陷和界面复合问题，严重影响了光电探测器的性能。为解决这一挑战，厦门大学程其进副教授团队在 Nanomaterials 期刊发表了一项创新研究，通过引入HfO₂界面层和远程等离子体增强化学气相沉积技术，显著提升了石墨烯/Si异质结光电探测器的性能。

研究过程与结果

在石墨烯制备方面，程其进副教授团队提出采用远程等离子体增强化学气相沉积技术 (见图1 (a)) 制备石墨烯纳米墙 (graphene nanowalls (GNWs)，见图1 (b)和1 (c))。GNWs是一种由石墨烯纳米片垂直于基底生长并相互交错支撑而形成的一种碳纳米材料，其由于片层的垂直生长而具有一定的三维空间结构。它不仅具有极大的表面积，而且能够形成良好的电子传导的网络，非常适合用于GNWs/Si光电探测器的应用。相对于传统的化学气相沉积法制备石墨烯，远程等离子体增强化学气相沉积技术制备石墨烯具有低成本、低沉积温度 ( < 900 °C)、高沉积速率 (沉积时间控制在5分钟之内) 和良好的薄膜均匀性等优点，而且石墨烯纳米墙的表面形态和微结构能够通过实验参数有效调控 (即通过沉积时间、沉积温度、沉积压强、放电功率等参数控制)。

图1. (a) 远程等离子体增强化学气相沉积系统结构示意图及实物图；(b) 在硅衬底上生长时间为120秒的石墨烯纳米墙的扫描电子显微镜图像；(c) 在硅衬底上生长时间为120秒的石墨烯纳米墙的高分辨透射电子显微镜图像。

随后，该团队构建了GNWs/Si异质结光电探测器并采用原子层沉积技术制备了不同厚度的氧化铪薄膜作为界面层调控其光电性能 (器件结构见图2 (a))。研究发现可以通过调控氧化铪绝缘层的厚度有效改善光电探测器的性能，并且在厚度为3 nm时获得最佳的性能。相较于无界面层的GNWs/Si异质结光电探测器，在0 V偏压下GNWs/HfO₂/Si光电探测器的光电流从7.38 × 10^-8 A提升到了2.37 × 10^-7 A，而暗电流则从1.07 × 10^-9 A降低到了3.85 × 10^-10 A (见图2 (b))，器件的光暗电流比从69提升到了617，探测率从4.2 × 10¹¹ Jones上升到了1.38 × 10¹² Jones，下降时间从0.15 s减少为0.14 s (见图2 (c))。

图2. (a) GNWs/HfO₂/Si光电探测器结构示意图；(b) 在暗态和光照条件下，0 V偏压下有无HfO₂层的GNWs/Si肖特基结光电探测器电流-电压特性曲线；(c) 0 V偏压下有无HfO₂层的GNWs/Si光电探测器的时间依赖性光响应特性。

该团队通过分析引入氧化铪界面层后GNWs/Si异质结光电探测器的能带图及载流子传输机制 (见图3)，深入探讨了器件性能提升的原因：(1) 引入HfO₂界面层后钝化了硅表面，减少了界面态缺陷，并增加了肖特基势垒高度，减少了电子隧穿的概率，从而降低了漏电流；(2) 有效增大了内建电场，促进了光生载流子的进一步分离。此外，过厚的HfO₂也会导致器件整体性能的下降。

图3. GNWs/Si光电探测器在光照条件下的能带示意图：(a) 无HfO₂界面层，(b) 含薄HfO₂界面层，(c) 含厚HfO₂界面层。其中𝜑𝑆𝐵𝐻表示肖特基势垒高度；ΔE为石墨烯纳米墙费米能级与硅中空穴准费米能级之差；E_c和E_v分别代表硅的导带和价带能级；E_fn与E_fp则分别为硅中电子和空穴的准费米能级。

研究总结

本研究通过远程等离子体增强化学气相沉积法成功制备了石墨烯纳米墙，并构建了不同结构的自供电GNWs/Si光电探测器，系统探究了HfO₂界面层对器件性能的影响机制。研究发现：远程等离子体技术显著提高了GNWs的沉积速率并降低了结构缺陷；引入3 nm厚HfO₂界面层后，器件在零偏压下的暗电流从1.07 × 10^-9 A降至3.85 × 10^-10 A，光暗电流比从69提升至617，比探测率由4.2 × 10¹¹ Jones增至1.38 × 10¹² Jones。通过分析引入氧化铪缓冲层后GNWs/Si异质结光电探测器的能带图及载流子传输机制，阐明了适宜厚度的HfO₂界面层对GNWs/Si光电探测器性能提升的物理机制。这种采用HfO₂界面层优化异质结光电探测器的方法，可推广应用于其他类型的光电器件。本研究不仅为GNWs基光电探测器的制备提供了有效指导，更进一步推动了石墨烯在光电探测领域的实际应用。

通讯作者简介

程其进 副教授

厦门大学副教授，研究生导师，曾经在新加坡、澳大利亚等国家从事多年的科研工作，长期从事宽禁带半导体材料、二维材料、光电探测器、太阳能电池等科研工作。近几年，主持了国家自然科学基金面上项目、福建省科技厅引导性项目、福建省自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金面上项目、深圳市基础研究面上项目等各类项目。迄今已在 Advanced Optical Materials、Progress in Photovoltaic、ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry 、Acta Materialia, Nanoscale 等期刊发表论文100余篇。2013年入选福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划；2020年入选厦门市高层次人才 (C类)；2023年入选福建省高层次人才 (C类)。

阅读原文

Shen, Y. H.; Li, Y. L.; Chen, W. C.; Jiang, S. J.; Li, C.; Cheng, Q. J. High-Performance Graphene Nanowalls/Si Self-Powered Photodetectors with HfO₂ as an Interfacial Layer. Nanomaterials 2023, 13, 1681.

https://doi.org/10.3390/nano13101681