中国科学院上海技物所陈效双、周靖研究员与中国计量大学舒海波教授联合AEM：基于Te/PtSe2异质结构的具有可见光到长波红外光响应和超快响应速度的室温黑体敏感型光电探测器

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论文信息

作者：Zhiyuan Dai, Yu Yu, Haibiao Guan, Ruowen Wang, T ao Ye, Yonghao Bu, Jie Deng, Mengdie Shi, Rui Xin, Tianxin Li, Haibo Shu,* Xiaoshuang Chen,* and Jing Zhou*

DOI: 10.1002/aelm.202400268

研究背景

具有超宽带和超快光响应速度的室温黑体敏感红外光电探测器是红外检测应用的理想选择，因为它们可以满足大多数需求，包括医疗诊断、遥感、安全、通信和天气预报。然而，对于红外探测器来说，同时具备上述特性是具有挑战性的。近年来，二维碲烯（2D Te）作为一种窄带隙（0.35-1.04 eV）材料，具有载流子迁移率高、光吸收强、稳定性好、面内各向异性等特点，已成为构建红外探测器的理想材料。通过溶液合成和化学气相沉积（CVD）方法可以制备高质量的2D Te材料。2D Te本身可以构成基于光电导效应的探测器。此外，2D Te还可用于构建不同类型半导体的范德华异质结构，包括过渡金属二硫族化合物（TMDs）、窄带隙2D材料和传统的3D半导体。这些异质结构诱导出内建场，从而产生自供电的光响应。尽管在2D Te相关的探测器这一领域已经产生了不少进展，但具有室温黑体响应的二维碲烯光电探测器的报道很少。此外，由于2D Te的带隙，2D Te光电探测器的光响应波长范围限制在<3.5 μm。基于2D Te的异质结构情况更糟：光响应截止波长通常低于2μm，因为与2D Te形成异质结构的TMDs通常具有更大的带隙。此外，基于2D Te光电探测器的工作带宽在几百赫兹以下，最大的只有几kHz。因此，目前基于2D Te的红外探测器与具有室温工作、黑体灵敏度、超宽带光响应谱、超快光响应速度等特点的理想的通用红外探测器还有很大距离。

文章概述

近日，中国科学院上海技术物理研究所陈效双研究员、周靖研究员与中国计量大学光学与电子科技学院舒海波教授合作团队提出了一种基于Te/PtSe₂异质结的室温黑体敏感光电探测器，具有可见到长波红外的光响应和超快响应速度。具有超宽带和超快光响应的室温黑体敏感红外探测器是许多科学和技术领域的关键需求。然而，对于红外探测器来说，同时具备上述所有特性是具有挑战性的。在本研究中，利用异质结构的内建场、PtSe₂的交叉导带和价带、Te和PtSe₂两种材料的高迁移率，以及较高的光增益，建立了室温Te/PtSe₂异质结构光探测器来应对这一挑战。该器件在超宽的波长范围（519 nm ~ 10 μm）内具有光响应性。在3.32 μm波长处，峰值响应率和比探测率分别达到196.8 A W⁻¹和4.3 × 10⁹ cm Hz^1/2 W⁻¹。该器件还具有黑体敏感性，黑体响应率为24.8 A W⁻¹，黑体比探测率为7.4 × 10⁸ cm Hz^1/2 W⁻¹。此外，该器件还具备超快的光响应，对应于160kHz的3dB带宽。该研究为高性能的室温红外探测的发展开辟了新的技术路径。

图文导读

图1展示了Te/PtSe₂异质结构光电探测器的制备和表征。通过光学显微镜图像，可以直观地看到异质结构的布局。拉曼光谱图证实了Te和PtSe₂的高质量和异质结构中没有杂质峰的存在。AFM和TEM图像进一步揭示了Te和PtSe₂层的厚度，以及它们之间清晰的界面，这些都是实现高性能光电探测的关键因素。

图1. (a)-(b) Te/PtSe₂异质结构红外探测器示意图及光学显微镜图像。(c) 器件不同位置测量的拉曼光谱（由532 nm激光激发），测试位置分别对应于(b)图中标记的(I), （II）和（III）。(d) 制备的Te /PtSe₂异质结构器件的AFM图像。(e) Te和PtSe₂薄片厚度的AFM测量结果。测试区域对应于(d)图中两条虚线。(f) Te/PtSe₂界面的高分辨率横截面TEM图像。

图2展示了Te/PtSe₂异质结的电学行为。Ids-Vds特性曲线表明了在不同光照条件下Te/PtSe₂器件的电导特性，显示出明显的光响应。激光诱导的光电流图谱结果进一步确认了光电流来源于两种材料的接触区域（即结区）。KPFM图像揭示了Te和PtSe₂之间的表面电势差异，帮助我们构建了异质结能带分布的情况。

图2. (a)在黑暗状态和不同光功率的1.55 μm激光照射下的Te/PtSe₂器件Ids-Vds特性曲线。(b) 放大Vds = 0 V附近的Ids-Vds特性曲线。(c) 1.55 μm激光照射下Vds = 0 V下Te/PtSe₂异质结构器件的激光诱导显微光电流成像结果；光功率为0.55 μW。(d)Te /PtSe₂异质结的KPFM图像。Te的表面电位比PtSe₂高约34 meV。(e, f) Te/PtSe₂异质结构能带图，以及在波长小于3.54 μm (e)或大于3.54 μm (f)的光激发下的光电过程说明。E_built-in表示内置电场。在倾斜带结构中，蓝色和红色分别代表电子和空穴的占据。

图3详细表征了Te/PtSe2光电探测器的光探测性能。自驱动光电流波形展示了器件在宽光谱范围内的响应能力。通过比较不同波长下的响应率，可以了解到器件在特定波长下的性能。光强度和偏压依赖的响应率测试揭示了器件在不同操作条件下的性能变化。噪声电流谱和比探测率的测量结果则表明了Te/PtSe2光电探测器在实际应用中的高灵敏度潜力。

图3. (a)宽光谱范围内光照射下Te /PtSe₂异质结构器件的自供电光电流波形。(b) Te /PtSe₂器件与各种Te或PtSe₂相关异质结构在780 nm以上波长范围内截止波长和自供电最大红外响应率的比较。(c)不同波长光的光强依赖性自供电光电流。(d)对不同波长光的偏置相关响应率。(e) Te/ PtSe₂器件在0、0.5、1、1.5、2V偏置电压下的噪声电流谱。(f) Te/PtSe₂红外探测器在不同波长激光（带和不带偏置电压）下的比探测率。(g)在633 nm、1.55 μm和3.32 μm激光下Te/PtSe₂器件的归一化自供电光电流随调制频率的变化。图为器件在1.55 μm处的光响应波形。τ_rise 2.8 μs，τ_fall 2.5 μs。(h)在780nm以上波长范围内，Te /PtSe₂器件与各种Te或PtSe₂相关异质结构在3dB带宽和自供电最大红外响应率方面的比较。(i) Te/PtSe₂器件与其他低维光导器件增益带宽积的比较，灰线表示已建立的薄膜红外光电探测器的GBP。

图4展示了Te/PtSe₂光电探测器的黑体响应性能。通过使用不同温度的黑体光源，研究了器件在模拟实际热辐射条件下的性能。自驱动黑体响应率和比探测率的结果展示了Te/PtSe₂光电探测器在较宽的温度范围（750 K到1250 K）内具有灵敏的光响应。偏压依赖的响应率测试进一步证实了在外加偏压下器件性能会得到进一步提升，这为实际应用中的性能优化提供了重要信息。

图4. (a)黑体光响应表征示意图。(b) Te/PtSe₂红外探测器的自供电黑体响应率和比探测率随黑体温度的变化。 (c) 1268K黑体辐照下的偏压相关响应率。(d) 1V偏置下Te/PtSe₂红外探测器的黑体温度相关响应率和比探测率。

论文总结

团队制备了一个2D Te/PtSe₂异质结光电探测器，可以在零偏压和有偏置电压下工作。该光电探测器可实现宽带（519 nm ~ 10 μm）和快速（2.8 μs）激光响应。由于其可忽略的势垒，该光电探测器具有较低的异质界面复合概率，从而提高了其光响应。在自供电模式下，其响应率可达376.8 mA W⁻¹，探测率可达4.0 × 10⁸ cm Hz^1/2 W⁻¹。在1V电压下，其响应率可达196.8 A W⁻¹，探测率可达4.3 × 10⁹ cm Hz^1/2 W⁻¹。Te /PtSe₂器件的最大增益可达4.4 × 10³，而3dB带宽保持在较高水平（160 kHz），增益带宽积为1.8 × 10⁹，超过大多数薄层器件。此外，该探测器还具有黑体响应能力。在零偏置电压下，黑体响应率达到214.3 mA W⁻¹，黑体探测率达到2.4 × 108 cm Hz^1/2 W⁻¹。在0.5 V偏置电压下，黑体响应率提高到24.8 A W⁻¹，黑体探测率达到7.4 × 108 cm Hz^1/2 W⁻¹。器件的偏振消光比约为2.7。最后，Te /PtSe₂器件可以在室温下长时间保持稳定。这些特点突显了Te /PtSe₂异质结光电探测器在室温红外探测方面具有高灵敏度和快速光响应的巨大潜力。该研究为可见光到长红外探测提供了新的可能性。

期刊简介

期刊Advanced Electronic Materials重点发表物理：应用、材料科学：综合、纳米科技相关方向的文章。

该期刊是一个跨学科论坛，在材料科学，物理学，电子和磁性材料工程领域进行同行评审，高质量，高影响力的研究。除了基础研究外，它还包括电子和磁性材料、自旋电子学、电子学、器件物理学和工程学、微纳机电系统和有机电子学的物理和物理性质的研究。期刊最新引文指标为0.9，最新影响因子为5.3（2023）。

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