摘 要
哈尔滨工业大学王金忠团队通过第一性原理计算研究了Bi2S3纳米带在云母衬底上生长的有利取向，采用化学气相沉积法合成由一维纳米带组成的具有开放通道且高度有序的Bi2S3薄膜。基于该薄膜构建了光电探测器，结果表明，该器件展示出优异的宽光谱光响应（365 ~ 940 nm），其具有98.51 mA/W的响应度，2.03×1010 Jones的比探测率和良好的长期稳定性和空气稳定性。此外，该Bi2S3薄膜光电探测器能够实现目标图像的清晰成像和信息的安全传输。
文章简介
宽光谱光电探测器由于能够实现准确的信号传输和信息的可视化呈现，在成像、光通信和遥感等各个应用领域中发挥着重要作用。具有一维链状结构和各向异性的硫化铋（Bi2S3）是一种新型的窄带隙材料，有着较大的载流子迁移率、高的光吸收系数、无毒、储量丰富和成本低等优点，被认为是一种有前景的宽光谱光电探测材料。然而，目前已报道的Bi2S3光电探测器大都是基于单根纳米线或纳米带构建的，其制备工艺复杂并且难以集成，限制了Bi2S3半导体材料在大规模光电子器件中的实际应用。
有鉴于此，并考虑到一维纳米结构具有直接电荷传输通道，大的比表面积和纵横比等优点，哈尔滨工业大学王金忠团队通过第一性原理计算研究了Bi2S3纳米带在云母衬底上生长的有利取向，采用化学气相沉积法合成由一维纳米带组成的具有开放通道且高度有序的Bi2S3薄膜。基于该薄膜构建了光电探测器，结果表明，该器件展示出优异的宽光谱光响应（365 ~ 940 nm），其具有98.51 mA/W的响应度，2.03×1010 Jones的比探测率和良好的长期稳定性和空气稳定性。此外，该Bi2S3薄膜光电探测器能够实现目标图像的清晰成像和信息的安全传输。
研究人员在氟晶云母衬底上生长了2×2 cm的Bi2S3薄膜，图1展示了Bi2S3薄膜的特性表征，并且对相应的生长机理进行了探究。可以看出Bi2S3薄膜由大量的一维纳米带组成，这些纳米带沿三个特定的方向以近似60°或120°的交角规律排列，进而组成大面积且高度有序的Bi2S3薄膜。HAADF-STEM图和相应的元素映射证实了Bi和S元素在纳米带上的均匀分布。通过第一性原理计算研究了Bi2S3纳米带在云母表面生长的不同取向。结果表明一维Bi2S3纳米带有三个能量有利的取向，诱导一维Bi2S3纳米带沿特定方向生长，从而形成具有中空交联网络结构的大面积薄膜。
图1：(A)AFM图，插图为Bi2S3薄膜实物图；(B)HAADF-STEM以及Bi和S的元素映射图；(C)低倍TEM图；(D)高倍TEM图；(E)O-K和(F)O-Si面上不同方向Bi2S3纳米带截面的能量极坐标图；(G)O-K和(H)O-Si面上60°和120°的Bi2S3纳米带截面的原子结构俯视图。
为了研究Bi2S3薄膜的光电性能，通过电子束蒸发技术制备了光电探测器，其性能测试结果如图2所示。由于Bi2S3薄膜的带隙较窄（1.28 eV），该薄膜器件在紫外、可见光和近红外光的波段范围内展现了多波段的光响应。此外，对Bi2S3薄膜光电探测器在不同光强的625 nm光照射下的光电探测能力进行了研究。可以看出，光电流随着入射光强度的增强而增加，对两者之间的关系通过幂律函数（IphµPa）进行了拟合，其小于1的a值与电子-空穴产生、捕获和重组的复杂过程有关。在不同波长的入射光照射下，计算了器件的响应度、探测率和响应速度。结果表明所制备的Bi2S3薄膜光电探测器的最大响应度可达约98.51 mA/W，比探测率约为2.03×1010 Jones，响应时间约为35.19 ms。
图2. (A)I-V曲线；(B)入射波长为365-940 nm的光照射下的光响应特性；(C)不同光强625 nm入射光照射下Bi2S3薄膜光电探测器的I-V曲线；(D)光电流与光强的关系；(E)放大的电流上升和衰减边缘；(F)响应速度与光强的关系；入射波长为365-940 nm的光照射下的(G)响应度和(H)探测率。
基于Bi2S3薄膜光电探测器良好的宽光谱探测性能及优异的长期稳定性和空气稳定性（图3），因此将其用作传感像素和信号接收终端并成功实现了“H”、“I”和“T”字符的高清晰成像以及字符的安全传输，这对于民用和军用领域都具有重要意义。这项工作表明，大面积、高度有序的Bi2S3薄膜在未来的大规模多功能光电子应用方面具有广阔的前景。
图3. (A)Bi2S3薄膜光电探测器的长周期稳定性；(B)Bi2S3薄膜光电探测器的空气稳定性测试。
论文信息
Surface engineering of highly ordered Bi2S3 film with open channels toward high-performance broadband photodetection
Ping Rong, Shiyong Gao*, Lin Li, Wen He*, Mingyi Zhang, Shuai Ren, Yajie Han, Shujie Jiao, Qing Chen, Jinzhong Wang*
DOI:10.1002/inf2.12567
Citation：InfoMat, 2024, e12567
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作者介绍
王金忠：哈尔滨工业大学教授，博士生导师。光电信息科学系主任，信息功能材料与器件研究所所长，国家重点研发计划首席科学家（项目负责人，原国家973计划项目），教育部新世纪优秀人才获得者，黑龙江省高层次人才，黑龙江省头雁团队骨干。主要从事光电材料与器件方面的研究工作，先后主持承担包括国家重点研发计划、国家863、国家科技支撑在内的国家重点及省部级项目多项，获中国产学研合作创新成果二等奖1项，江苏省科学技术奖1项，相关产品收入突破8000万元。发表SCI学术论文160余篇（其中ESI高被引论文2篇），被引用2700余次。
高世勇：哈尔滨工业大学副教授，博士生导师。主要从事光电材料制备及光电探测器、光催化等相关研究，主持/参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金等多项课题。在Advanced Functional Materials等期刊发表第一作者和通讯作者的SCI论文48篇，授权发明专利5项。
贺雯：哈尔滨工业大学助理教授。2021年取得新加坡国立大学材料科学与工程博士学位。2022-2023作为博士后在新加坡国立大学工作，并于2023年加入哈尔滨工业大学。研究方向为二维材料声学及光学性质的第一性原理计算研究以及光电探测器的制备与性能研究。
关于InfoMat
《信息材料（英文）》（InfoMat）是由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的国产金色OA学术期刊，聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究，创刊主编为李言荣院士。
● 国产金色OA英文期刊
● 影响因子22.7；CiteScore37.7
● 中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊
● 中科院分区材料科学1区期刊
● 收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等数据库
● 2022、2023年连续入选中国最具国际影响力学术期刊（Top5%）
● 2021、2022、2023年连续三年获评已进入世界期刊TOP5%
● 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文
期刊主页：http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/infomat
投稿链接：https://mc.manuscriptcentral.com/infomat
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