华科大在二维材料异质结图像传感器方面取得新进展

近日，《今日材料》（Materials Today）杂志在线发表了华中科技大学材料学院、材料成形与模具技术全国重点实验室翟天佑教授和李渊教授团队题为“二维垂直-横向混合异质结用于超灵敏光电探测和图像传感（Two-dimensional vertical-lateral hybrid heterostructure for ultrasensitive photodetection and image sensing）”的研究论文。 vN%zk(?T  
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基于二维层状半导体的异质结构允许在相邻结区产生各种光电耦合效应，从而产生有趣的电子和光电性质，这对于补偿单个材料的局限性以及进一步提高其光电性能至关重要。一般来说，不同的二维材料既可以垂直堆叠形成垂直异质结，也可以横向拼接形成横向异质结。宽耗尽区和大界面面积是保证光生载流子生成以及电荷分离和输运的两个关键结构特征，然而目前基于传统垂直和横向构型的二维异质结存在界面面积和耗尽区不平衡的问题，严重限制了光生载流子的产生和分离，基于它们的各种光电器件仍然难以达到预期的性能。针对以上挑战，翟天佑教授团队提出一种具有横向和垂直界面共存的Bi2Se3/Bi2SexOy混合异质结，独特的异质结几何形状为异质结提供了巨大的界面面积和宽的耗尽区，显著提高了器件的整体光电性能，在紫外、可见到近红外区域的宽光谱范围内均具有出色的图像传感能力。 or/Y"\-!  
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通过对二维Bi2Se3材料进行区域选择性等离子体氧化，仅有表层Bi2Se3被氧化形成Bi2SexOy，即可制备二维垂直-横向混合异质结。此种横向和垂直界面共存的混合异质结不仅具有较大的界面面积，而且具有光生载流子的产生、分离和输运所必需的宽耗尽区和强内建电场，相比传统横向或垂直异质结具有更强的电荷转移和耦合效果（图1）。混合异质结内部提供丰富多样的载流子传输路径，在激光照射时异质结内部横向和垂直结界面处均发生明显增强的电荷转移和载流子分离，显著提高了光电器件的整体光电性能，表现出明显降低的暗电流和超快的光响应速度(τrise=50 μs，τdecay=20 μs)。同时，得益于高光电流/暗电流比和快速开关速度，该光电探测器展示了出色的图像传感能力，可以在紫外、可见光到近红外区域的宽光谱范围内以高分辨率记录各种复杂的图案。该研究成果为设计和制造二维异质结的新颖几何形状提供了新思路，在未来的各种光电应用中具有巨大的潜力。 b1>%%#  
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华中科技大学为该论文第一完成单位，材料学院博士生张娜为论文第一作者，翟天佑教授和李渊教授为论文共同通讯作者。材料学院赵英鹤副教授以及武汉理工大学吴劲松教授、合肥工业大学罗林保教授等共同参与该项研究工作。该研究工作得到了国家自然科学基金（U22A20137、U21A2069、21825103）等项目资助。 E.?|L-fy  
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论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.08.009