混合维度Bi/Te异质结材料新进展

最近二十年见证了二维层状范德华材料的突破性发展，包括六方氮化硼（h-BN）、石墨烯、过渡金属二卤化物（TMDs）以及许多单元素（IV-VI）二维材料。这些材料展示了令人着迷的光学和电子性能并被广泛用于制备光电探测器件。然而，目前单元素材料面临很多急需解决的关键问题，例如材料的大批量制备和材料的环境稳定性问题。同时，目前制备的光电探测器存在稳定性差、波段响应范围窄、响应度低以及响应速度慢等缺点。采用新的材料以及制备方案来克服以上材料和期间方面的缺点是目前研究的主要任务。

构筑异质结材料是能够有效克服单元素期间局限性并进一步发展性能优越的光电器件的有效手段。研究表明混合尺度的异质结材料，特别是0维（量子点）/ 2维（纳米片）异质结材料，能够有效的对0维量子点进行分散，抑制量子点的光致发光现象，从而抑制了光诱导载流子的复合。同时，异质结材料界面处的内建电场可以有效促进光致电子/空穴对的传输和分离，从而达到提高光电子器件性能的目的。

图1. 0维Bi量子点和2维Te纳米片混合维度的异质结材料（Bi/Te）的制备及其光电探测性能和饱和吸收研究。

近日，深圳大学特聘教授张晗（点击查看介绍）团队在英国皇家化学会（RSC）著名期刊Nanoscale Horizons 上发表研究论文，报道了一种0维Bi量子点和2维Te纳米片混合维度的异质结材料（Bi/Te），并对其光电子应用做了相应研究（图1）。通过密度泛函理论（DFT）系统研究了Bi/Te的电子结构以及光学性能增强原因。实验发现基于Bi/Te异质结材料的光电探测器表现出高达18.21 μA cm^-2的光电流，分别是基于纯Bi量子点和Te纳米片光电探测器的18和136倍！制备的光电探测器还表现出快速相应、自驱动性能以及优异的长期稳定性。将Bi/Te作为超短脉冲激光的可饱和吸收体进一步嵌入到光纤环形谐振器中，并在1.5 µm处获得了786 fs的脉冲输出信号，这表明Bi/Te在超快光子学应用方面具有巨大的潜在应用价值。

图2. Bi/Te的DFT模拟计算结果。a: Bi/Te的晶体结构。b: Te和Bi/Te的部分状态密度分布。c: Te和Bi/Te中VBM和CBM状态的波动函数, 等值面值为0.0005 eÅ^-3。d: Te和Bi/Te的吸收系数计算。

图3. a-c：基于Bi/Te的光电探测器分别在0.1、0.5和1.0 M KOH电解质中的光响应行为。d-f：从a-c截获的光电探测器的ON/OFF信号的细节（Ⅵ）。g-h：光电流和响应度相对于不同测试波长的曲线。i：在0.5 M KOH电解质中，在350 nm光照下，光电流和响应度相对于入射光强度曲线。

图4. Bi/Te的超快速光子学应用中的性能。a: 基于Bi/Te 饱和吸收器纤维的示波器示踪曲线。b: EDF激光器的光谱。c: 频谱随时间变化曲线。d射频频谱。e: 自相关曲线。f: 输出功率与泵浦功率的变化曲线。

该论文近期发表在国际期刊Nanoscale Horizons，第一作者是深圳大学张也博士、郭佳博士和徐义果博士，通讯作者为深圳大学二维材料光电科技联合实验室张晗特聘教授和深圳大学物理与光电工程学院张秀文教授。该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金资助、广东省科技计划项目、深圳市科学技术创新基金等项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Synthesis and Optoelectronics of Mixed–Dimensional Bi/Te Binary Heterostructure

Ye Zhang, Jia Guo, Yiguo Xu, Weichun Huang, Chao Li, Lingfeng Gao, Leiming Wu, Zhe Shi, Chunyang Ma, Yanqi Ge, Xiuwen Zhang,* Han Zhang*

Nanoscale Horiz., 2020, DOI: 10.1039/C9NH00805E

研究团队简介

张晗，深圳大学特聘教授、深圳市黑磷工程实验室主任、博士生导师。美国光学学会会士、基金委“优青”、科睿唯安“高被引科学家（2018/2019）”、广东省科技领军人才等。长期从事低维材料光电器件相关研究，以通讯作者发表中科院一区论文超过100篇，包括Chemical Society Reviews, Coordination Chemistry Reviews, Physics Reports, PNAS, Science Advances, Nature Communications等，论文总被引超过26000次，H-index指数85。张晗教授担任多个SCI期刊专题主编/编委、中国激光青年编委会秘书长、全国光学青年学术论坛第二届主席团副主席。科研成果获得教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、广东省丁颖科技奖、深圳市青年科技奖、深圳市自然科学奖等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/40451

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