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Light Sci Appl:二维材料的侧向光伏效应在位敏探测器中的应用

侧向光伏效应(lateral photovoltaic effect, LPE)是指在点光源的照射下,异质结内激发的光生载流子会被界面处的内建电场上下分离然后横向扩散的过程。由于光生载流子扩散的各向异性,在异质结表面的不同位置可以测得不同的电势差,电势差的大小与点光源照射的位置呈线性关系。基于LPE制备的位敏探测器(position-sensitive detectors, PSDs)具有能耗低、操作简单、灵敏度高、响应速度快等特点,在空间探测、环境监控以及光学工程等领域表现出巨大的应用潜力。将石墨烯、MoS2等二维材料与不同半导体结合,可以最大限度的发挥出它们高载流子迁移率和大光吸收率的特性,有助于制备出灵敏度更高,响应速度更快的新型PSDs。为了实现这一目的,科研工作者们进行了大量关于二维材料LPE的研究,深入学习了LPE的物理机制,揭示了LPE中光生载流子在异质结中的传输特性,寻找了多种方法来有效利用二维材料的光电特性提高PSDs的性能。


近日,哈尔滨工业大学宋波教授团队详细总结了近几年关于石墨烯和MoS2侧向光伏效应的研究报道,介绍了目前基于二维材料PSDs的研究思路和最新进展,对光电探测领域新技术的开发和应用具有重要意义。

作者通过对相关工作的研究和总结发现异质结的内建电场是提高PSDs光电性能的关键因素,根据形成的原因可以将内建电场分为两种:一种是在p-n结界面处由于能带结构不同形成的内建电场;另一种是薄膜与SiO2/Si衬底形成异质结后,由于界面钉扎效应导致能带弯曲而形成的内建电场。激光照射到异质结表面后,大量的光生载流子会被内建电场上下分离,不同的载流子浓度会在样品表面形成横向电场,驱动载流子向四周扩散。内建电场分离光生载流子的能力会影响LPE的大小,半导体的载流子迁移率决定着PSDs的响应速度。

基于石墨烯/SiO2/Si结构的PSDs可以同时借助石墨烯高载流子浓度和SiO2/Si衬底长载流寿命的特性将探测信号放大104倍,能够探测到功率为17 nW的光信号。目前已经有研究团队之制备出了8×8 mm大尺寸的二维PSD原型器件,可以在没有外加电压的条件下准确探测出平面内激光照射位置的移动轨迹,减小了PSDs的能量消耗,大大提高了器件的灵敏度。此外,通过对PSDs光电信号的分析处理还可以开发出角度测量、声音存储、高速运动物体的轨迹追踪等功能,对新型光电探测器的开发和应用具有重要意义。

MoS2具有能带可调、高光吸收率等特性,利用不同能带结构的衬底与MoS2结合可以制备出具有不同内建电场的异质结,有利于研究LPE中光生载流子的传输特性和超快响应的物理机制。宋波教授课题组通过研究MoS2/n-Si和MoS2/p-S异质结的光电特性深入探讨了LPE中光生载流子传输的物理机制,这两种异质结分别具有145 mV/mm和183 mV/mm的位置灵敏度,响应时间分别为5.8 μs和2.1 μs,LPE超快的时间响应特性起源于光生载流子在异质结界面处的反型层中传输。


将二维材料与不同的衬底相结合,对不同半导体的特性取长补短,可以有效的提高PSDs的性能,为以后的光电探测器研究提供了广阔的思路。


这一成果近期发表在Light: Science & Applications的哈尔滨工业大学百年校庆特刊上。文章的第一作者是哈尔滨工业大学物理学院的博士研究生胡昌同学。


原文:

https://www.nature.com/articles/s41377-020-0307-y

High-performance position-sensitivedetector based on the lateral photoelectrical effect of two-dimensional materials

Chang Hu, Xianjie Wang, Bo Song*

Light Sci. Appl., 2020, 9, 88, DOI: 10.1038/s41377-020-0307-y


宋波教授简介


宋波,哈尔滨工业大学长聘教授。2003年、2005年分别获得武汉理工大学学士、硕士学位(本硕连读);2008年获中国科学院物理研究所博士学位;教育部新世纪优秀人才,国家自然基金委优秀青年基金获得者,黑龙江省头雁团队骨干成员。宋波教授课题组专注于纳米半导体异质结和深紫外半导体生长、物性研究,开展了多种纳米半导体异质结合成、深紫外半导体AlN的生长与物性研究等相关的科学理论和技术研究。研究新型纳米异质结的构筑、界面性能调控和深紫外半导体在深空探测、绿色能源等领域的应用。迄今为止,在包括J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Lett.等国际期刊上以第一/通讯作者/共同通讯身份累计发表SCI论文50余篇,授权专利15项。目前担任《人工晶体学报》青年编委,中国有色金属学会宽禁带半导体专业委员会委员,中国物理学会X射线专业委员会委员,国际数据衍射中心 (ICDD) Member等。


X-MOL导师网页:

宋波

https://www.x-mol.com/university/faculty/38305


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