【研究背景】
二维材料是在一维上具有原子级薄层的晶体物质，包括半导体（TMDC和BP）、金属（NbSe2）、绝缘体（hBN）和拓扑材料（石墨烯、1T′-MoTe2和Bi2Se3）。与体材料相比，二维晶体具有强烈的光物质相互作用、高载流子迁移率和低缺陷态，使基于二维材料的光电器件能够表现出极高的光响应。此外，由于分子层是通过弱范德华力结合的，这些二维材料之间可以形成匹配。由于没有悬挂键，二维材料异质结的异质界面不会出现传统材料典型的界面态问题。因此，通过能带结构工程，由具有不同能带结构和物理性质的二维材料构建的异质结可以实现高性能光电器件，例如雪崩击穿的InSe/BP异质结、具有激子跃迁效应的层间WS2/HfS2异质结，以及具有超低暗电流的单极性势垒器件等。
卓越的响应度性能通常源于显著的光电增益，定义为G = τ/τL，其中τ和τL分别表示光生载流子寿命和载流子传输时间。这种机制通常需要更长的光生载流子寿命。其中一个显著的问题是，大多数二维材料光探测器的光学增益和响应度随着光照的增加而降低，呈现亚线性光电流功率依赖关系（α < 1）并遵循幂律关系（Iph ∝ Pα）。这是因为在强光照下，二维材料中较少的缺陷态被光生载流子填充，平均载流子寿命更短，从而降低了光探测器的增益。为了解决这个问题，可以通过引入少数载流子陷阱态来增强二维材料在高光强下的光学增益。然而，大多数以实现高响应度为目标的器件都受到暗电流增加的困扰，这主要是由于缺乏有效的多数载流子抑制机制。此外，通过陷阱态延长载流子寿命来增强增益的机制经常导致光探测器响应时间显著延长。
【成果介绍】
鉴于此，电子科技大学的王军教授，周泓希讲师和吴志明教授团队发表了题为“High-Gain and Tunable Linear Photodetection in 2D Tunneling Heterostructures Through Potential Engineering”的工作在Advanced Functional Materials期刊上。该工作设计了一种II型能带结构的Bi2O2Se/SnSe2范德华异质结光探测器。它显著提升了二维材料光探测器在强光照下的检测能力，同时解决了低暗电流、快速响应和高响应度的挑战。具体而言，利用Bi2O2Se和SnSe2之间显著的载流子浓度和功函数差异来构建高质量的隧穿异质结。这种异质结的一个显著特征是，在施加反向偏压时，能带重新排列在空间电荷区域形成了明显的电子势垒和显著的空穴势阱。电子势垒有效地阻碍了自由电子的迁移，导致极低的暗电流，为1.27 × 10−10 A。该异质结器件中的主要光电流源于偏置下的电子直接隧穿，使得光探测器在660 nm激光照射下实现了75.4/15.6 µs的超快上升/衰减时间。此外，该器件表现出优异的响应度，达到1636.3 A W−1，以及1.39 × 1014 Jones的特定探测率。这种卓越的性能归因于空穴势阱对光生载流子复合的抑制，延长了载流子寿命并引起强烈的光栅效应，从而增强了光探测器的光学增益。由于强空穴势阱能够捕获足够数量的光生载流子，该器件能够在广泛的光强范围内（<1.09 mW cm−1）维持高增益和高响应度。该器件表现出线性的光电流功率依赖关系(α = 0.997)，具有约74.7 dB的线性动态范围（LDR），并可通过改变外部偏置进行调节。这一点特别重要，因为具有高响应度和可调LDR的光探测器对于特殊场景下的高分辨率成像至关重要。最后，本研究还考察了Bi2O2Se/SnSe2范德华异质结在850-1550 nm光照范围内的优异光电响应特性，并成功将其应用于通信领域。
【图文导读】
图 1. Bi2O2Se、SnSe2材料和Bi2O2Se/SnSe2异质结器件的合成与表征。a) 化学气相沉积法示意图。b) 化学气相传输法示意图。c) Bi2O2Se和e) SnSe2在光学显微镜下的形貌。d) Bi2O2Se纳米片和f) SnSe2薄片的高倍透射电镜图像。g) Bi2O2Se/SnSe2异质结器件的模型图以及SnSe2和Bi2O2Se的原子结构模型。h) Bi2O2Se/SnSe2异质结、单独的SnSe2和单独的Bi2O2Se的拉曼光谱和光学图像。i) SnSe2和j) Bi2O2Se的拉曼映射图像。k) Bi2O2Se/SnSe2异质结的AFM高度曲线。
图 2. Bi2O2Se/SnSe2异质结的光响应特性。a) 异质结在暗态下的I-V曲线。b) 异质结中线性输入（光功率）和输出（光电流）关系的示意图。c) Bi2O2Se/SnSe2异质结在660 nm不同激光功率强度下的I-V测量。d) 在100、1k和12 kHz频率的脉冲光下的光电流曲线。e) 在660 nm激光照射下的响应速度（Vds = -5 V）。f) 在660 nm激光照射下，Vds = -5 V时器件在不同激光功率密度下的光电流和响应度。g) 在660 nm激光照射下，Vds = -5 V时器件在不同激光功率密度下的探测率、开关光比和外量子效率。h) 与先前报道的性能比较。i) 在660-1550 nm不同波长下的探测率和上升时间（插图）。
图 3. Bi2O2Se/SnSe2异质结的能带排列和电子特性。a) Bi2O2Se和b) SnSe2的功函数和价带边缘的紫外光电子能谱。Bi2O2Se/SnSe2异质结在b) 接触前和c) 接触后的能带排列。d) 异质结的I-V曲线。Bi2O2Se/SnSe2异质结在e) Vds = 5 V和f) Vds = -5 V下的能带图示意图。
图 4. a) 反向偏置下光电流和暗电流的直接隧穿图。Bi2O2Se/SnSe2异质结在b) 相对弱光照和c) 相对强光照下的响应机制示意图。在660 nm激光照射下，器件在不同激光功率密度下的光电流，d) Vds = -5和-3 V，e) Vds = -2和-0.5 V。f) 在不同偏置电压下，0.0002至178.3 mW cm−2之间的光电流映射分布。
图 5. a) Bi2O2Se/SnSe2成像系统在不同特殊场景下的应用：曝光不足和曝光过度。b) Bi2O2Se/SnSe2探测器用于近红外通信系统的示意图。
【总结展望】
总之，本研究通过设计Bi2O2Se/SnSe2范德华隧穿异质结，提出了一种提升二维材料光探测器高强度光检测能力的创新策略。具体而言，在反向偏置条件下，异质结扩展的空间电荷区有效抑制了暗电流和噪声。由于Bi2O2Se和SnSe2都是具有高电子浓度的n型半导体，器件通过光生电子的直接隧穿产生光电流，同时保持快速的响应速度（75.1和15.6 µs）。此外，在Vds的影响下，异质结空间电荷区内形成了显著的空穴势阱，通过抑制复合来延长载流子寿命，从而增强了器件的光学增益。基于这些物理现象，该器件展现出1636.3 A W−1的峰值响应度和1.39 × 1014 Jones的最佳探测率值，在高达74.7 dB的线性动态范围内保持恒定。此外，异质结的线性动态范围可通过改变偏置进行调制。这些数值凸显了该光探测器在高分辨率实时成像和通信波段信号检测中的重要应用潜力。
【文献信息】
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