华南师大Nano Letters: MoSe2/NbOI2异质结中的面内体光伏效应用于高效的偏振敏感自供电光探测

学术 2025-01-29 15:01 浙江

▲共同第一作者：黄雄、王琪

共同通讯作者：吴波、许金友、陈祖信

通讯单位：华南师范大学

论文DOI：10.1021/acs.nanolett.4c05418（点击文末「阅读原文」，直达链接）

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二维铁电材料的体光伏效应通常具有较弱的光响应，限制了它的实际应用。本工作提出了一种利用平面内体光伏效应开发高效的偏振敏感自供电光电探测器的策略。构建的MoSe₂/NbOI₂异质结利用了NbOI₂的强体光伏效应和MoSe₂的高光吸收。使用瞬态反射光谱，我们发现了异质结中几皮秒内的超快电荷转移。同时，直流极化可以调控NbOI₂中的铁电畴和界面处的内建电场，进一步增强器件的自供电性能和偏振比。

背景介绍

二维铁电材料可以产生体光伏效应，能在没有外部电场的情况下通过均匀的光辐射产生稳态电流，在自供电光电探测器中极具前景。同时，与入射光偏振相关的光响应是体光伏效应的固有特性，这使其适合应用于光偏振检测。然而，弱的跃迁强度和宽带隙导致的低光响应限制了它在光电探测器等光电子学中的实际应用。同时，以往的二维体系大多聚焦于平面外体光伏效应，且用于调控体光伏效应的方法也较少。

本文亮点

本工作中，我们利用了MoSe₂的高吸收能力以及NbOI2的强体光伏效应制造了基于MoSe₂/NbOI₂异质结的高效偏振敏感自供电光电探测器。利用瞬态反射光谱，我们观察到从MoSe₂到NbOI₂的0.4 ps内的超快空穴转移，相反方向的电子转移在3.8 ps以内，这有助于高效的电荷解离和萃取。通过直流极化调节NbOI₂的铁电畴以增强其体光伏效应。直流极化可以增强或切换了NbOI₂的内部电场和异质结处的内建电场，从而实现了从可见光到近红外的宽波长和双极光学响应。异质结在0 V偏置时获得了 101.3 mA/W的出色响应度，是基于体光伏效应的自供电光电探测器中报道的最高响应度之一。通过适当的极化，器件的偏振比可以达到7.58。

图文解析

图1展示了基于MoSe₂/NbOI₂异质结的自供电光电探测器。NbOI₂具有沿b轴的面内自发极化P_s，因此沿极化轴表现出明显的铁电性和强的体光伏效应。MoSe₂/NbOI₂异质结中的电流保留了迟滞特征，同时表现出一定的整流特性。

图2展示了MoSe₂/NbOI₂异质结中的超快电荷转移。通过瞬态超快光谱，研究人员发现了MoSe₂/NbOI₂异质结中的超快电荷转移。来自异质结的瞬态反射信号主要源于MoSe₂，在相同功率密度激发下，异质结区域的信号强度仅是纯MoSe₂信号的一半。在A激子的红色侧，异质结表现出MoSe₂中不存在的快速衰减分量，在855 nm探测处约0.4 ps，对应着电子从NbOI₂转移到MoSe₂。而A激子共振的785 nm探测处则存在从MoSe₂到NbOI₂约3.8 ps的空穴转移。

图3展示了通过直流极化实现自供电MoSe₂/NbOI₂异质结器件。NbOI₂的直流极化过程存在极化场与去极化场的竞争，且界面处的极化束缚电荷类型可被电场切换，得到不同的整流方向。极化后，异质结中的开路电压V_OC和短路电流I_SC可以增强和切换，表现出双极性光响应。

图4是MoSe₂/NbOI₂异质结光电探测器的光响应性能。极化后的器件表现出更好的自供电性能，响应时间更快，线性动态范围更广和响应度更高（是基于体光伏效应的最高值之一）。得益于MoSe₂的高光吸收和极化增强的内建电场，器件的响应范围为可见光到近红外。同时，合适的极化可以增强器件的偏振比。

总结与展望

总之，本研究构建了MoSe₂/NbOI₂异质结以用于自供电光电检测，发生在异质结处的几皮秒内的超快电荷转移有助于高效的电荷解离和提取。NbOI₂显示出强大的平面内铁电体光伏效应，直流极化显著增强了内部电场场和内建电场，实现了从可见光到近红外的宽波长范围光响应，最高响应为101.3 mA/W，超过了大多数其他体光伏器件。内部电场和内置电场的可切换性使其能够产生双极性光响应，7.58的优异偏振比为光检测提供出色的自驱动偏振灵敏度。这些研究结果体现了平面内铁电体光伏效应用于偏振敏感自供电光电探测器的巨大潜力。

作者介绍

通讯作者：吴波，华南师范大学教授，博士生导师，国家级青年人才，广东省杰出青年基金获得者。主要研究方向为发展先进时空分辨超快光谱技术，聚焦光电材料器件中光与物质的相互作用过程及载流子动力学机制等。主持3项国家级和多项省市科研项目。在《Nature Communications》、《Science Advances》等期刊发表SCI论文80余篇。

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