【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院(微電子學(xué)院)、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、廣東省顯示材料與技術(shù)重點實驗室的劉飛教授與鄧少芝教授團隊使用常壓化學(xué)氣相沉積法(atmospheric pressure chemical vapor deposition，APCVD)制備了高質(zhì)量的單晶CsPbBr3微米方片，并利用近藤拓?fù)浣^緣體SmB6納米帶和金屬Au電極構(gòu)建了非對稱型的Au/CsPbBr3/SmB6器件結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明該非對稱型器件不僅具有高的光電流、響應(yīng)度和比探測率特性，還表現(xiàn)出優(yōu)異的自驅(qū)動光探測特性，有望在光通信、工業(yè)自動化和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。該研究成果以“Advanced Self-powered Visible-light Photodetector Based on Asymmetric Au/CsPbBr3/SmB6 Junction”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C。論文第一作者為中山大學(xué)博士生劉再冉，通訊作者為劉飛教授和鄧少芝教授。
 

　　研究背景及挑戰(zhàn)
 

　　鈣鈦礦材料具有較強的可見光吸收、較長的載流子擴散長度、較大的載流子遷移率以及可調(diào)節(jié)的帶隙等優(yōu)點，受到了國內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。然而，CsPbBr3在光電探測器應(yīng)用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)暗電流較高、響應(yīng)速度較慢和響應(yīng)度較低等問題。研究者通常使用制作異質(zhì)結(jié)、同質(zhì)結(jié)、場效應(yīng)晶體管和構(gòu)建表面等離激元結(jié)構(gòu)等方法提高CsPbBr3光電探測器的性能，但是這些方法通常受到材料類型、摻雜工藝、精確的層數(shù)控制和復(fù)雜的制備工藝等多種因素的限制。因此如何制造兼具快響應(yīng)速度、高響應(yīng)度且與平面工藝良好兼容的CsPbBr3光電探測器一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。
 

　　研究內(nèi)容及亮點
 

　　根據(jù)能帶理論，研究人員分別選擇擁有豐富表面電子態(tài)、金屬電導(dǎo)率的近藤拓?fù)浣^緣體SmB6納米帶和Au膜作為CsPbBr3微米方片兩端的電極。由于SmB6納米帶的功函數(shù)(2.76~4.30 eV)低于P型半導(dǎo)體CsPbBr3(4.55~4.79 eV)，而Au膜的功函數(shù)(5.10 eV)高于P型半導(dǎo)體CsPbBr3，因此SmB6和CsPbBr3之間形成肖特基接觸，而Au和CsPbBr3之間為歐姆接觸，即Au/CsPbBr3/SmB6可以形成非對稱性電極型器件結(jié)構(gòu)。
 

　　研究人員首先采用實驗室所發(fā)展的APCVD方法成功在云母襯底上制備出高密度的單晶CsPbBr3微米方片，如圖1所示，這些單晶材料具有均勻的矩形形貌，其平面尺寸分布在30 μm~60 μm，均方根表面粗糙度低于1.47 nm，平均厚度約為204 nm。而原子分辨的透射電子顯微鏡(Transmission electron microscope，TEM)圖和明銳清晰的電子衍射圖案(圖1e-f)則表明APCVD法所制備的微米片為結(jié)晶性良好的單斜CsPbBr3相。
 

圖1. APCVD法所制備的CsPbBr3微米方片的形貌和晶格結(jié)構(gòu)
 

　　隨后，研究人員將SmB6納米帶轉(zhuǎn)移至CsPbBr3微米方片的的表面，成功構(gòu)筑了CsPbBr3/SmB6肖特基結(jié)(圖2)。與CsPbBr3微米方片相比，CsPbBr3/SmB6肖特基結(jié)在525 nm處的熒光(photoluminescence，PL)發(fā)光峰的強度降低了2.3倍。進一步的熒光壽命測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在形成肖特基結(jié)后，CsPbBr3的熒光壽命明顯降低。這表明CsPbBr3/SmB6肖特基結(jié)的界面自建電場有效提升了電子-空穴對的分離效率，進而抑制了熒光發(fā)射，導(dǎo)致其PL峰強度明顯降低。
 

圖2. CsPbBr3/SmB6肖特基的表面形貌、結(jié)構(gòu)表征和熒光發(fā)光特性
 

　　此外，研究人員還對比了非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件在0 V電壓下光響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明，非對稱型Au/CsPbBr3/SmB6器件的開關(guān)比要比對稱型Au/CsPbBr3/Au器件提升約3倍。而且，非對稱型自驅(qū)動Au/CsPbBr3/SmB6器件還具有高的比探測率(D*=3.38×1010 Jones)和光響應(yīng)度(R=0.184 A/W)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件(D*=3.8×108 Jones，R=0.000252 A/W)。此外，與對稱型CsPbBr3器件(ton=370 ms，EQE=0.061%)相比，非對稱型Au/CsPbBr3/SmB6器件的光響應(yīng)時間(ton=80 ms)和外量子效率(EQE=44.5%)均具有明顯的優(yōu)勢。同時，非對稱型Au/CsPbBr3/SmB6器件的自驅(qū)動光探測特性還優(yōu)于絕大多數(shù)的鈣鈦礦型光電探測器件，這表明其未來在光通訊、工業(yè)自動化和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?br /> 

　　圖3. 非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件在零偏壓下的時間響應(yīng)曲線

 

　　最后，研究人員分別繪制了非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件的能帶圖來探索其光響應(yīng)機制。從圖4可以看到，在內(nèi)建電場作用下，CsPbBr3/SmB6界面處會形成0.45 eV的肖特基勢壘，其表面能帶在界面處向金屬性的SmB6一側(cè)彎曲。相應(yīng)地，空穴阻擋層將會形成，導(dǎo)致非對稱型器件的暗電流迅速降低。而光照下，肖特基勢壘的存在一方面增大了載流子遷移率，另一方面還提高了電子-空穴對的分離效率，因此非對稱電極型器件的光響應(yīng)特性明顯優(yōu)于對稱電極型器件。另外，界面處內(nèi)建電場的存在還能夠保證驅(qū)使零偏壓下的光生載流子越過肖特基勢壘而形成光電流，這就解釋了非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件優(yōu)良的自驅(qū)動光探測行為。
 

　　圖4. 非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件在明暗條件的能帶圖

 

　　通過能帶剪裁技術(shù)，研究者成功構(gòu)筑了一種非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件，不僅提高了CsPbBr3光電探測器件的光響應(yīng)特性，還成功解決了傳統(tǒng)光電探測器中高光響應(yīng)度與快速開關(guān)時間之間的矛盾。更重要的是，零偏壓下Au/CsPbBr3/SmB6器件的自驅(qū)動光探測特性要優(yōu)于許多其他二維材料基光電探測器，這將為未來研究者制備基于二維材料的高性能自驅(qū)動光電探測器提供一種新的技術(shù)方案。
 

　　本工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、廣東省自然科學(xué)基金項目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項目的資助，以及中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、廣東省顯示材料與技術(shù)重點實驗室等的大力支持。中大新聞網(wǎng)訊(通訊員林銳娜)