欧美色盟,色婷婷AV一区二区三区之红樱桃,亚洲精品无码一区二区三区网雨,中国精品视频一区二区三区

導讀

寬帶光電探測器廣泛應用于信息、軍事、航空航天等領域，能夠在煙霧及全黑夜間環境下提升相關設備的目標識別能力。在極端條件下，特別是在高溫環境下，寬帶光電探測器是紅外制導導彈、高溫紅外成像、全天視覺成像和星系探測傳感的關鍵部件。當探測器工作環境溫度升高時，熱激發載流子顯著增加，導致電子散射增強，光電流減小、光響應率低、成像差等。因此，迫切需要開發基于高遷移率材料的高性能耐高溫寬帶光電探測器，同時避免了復雜冷卻裝置的局限性，降低了設備成本。近年來，原子薄2D層狀材料因其獨特的性質為高性能寬帶光探測提供了應用可能性，如大范圍可調的帶隙、無表面懸鍵可實現弱界面電子散射、以及2D層狀結構可用于大面積集成等。

西北工業大學馮晴亮課題組聯合西北農林科技大學王俊儒教授和蘭州大學張澤民教授（共同通訊作者），基于肖特基結層間散射耗盡的光載流子動力學策略，首次構筑了大面積黑磷(BP)/PtSe2薄膜陣列器件，實現了室溫至470 K的HOT（高工作溫度）高性能寬帶光電探測。由于BP/PtSe2界面間形成了肖特基結，促進了高溫下熱聲子的耗盡，在532~2200 nm寬波長范圍內，BP/PtSe2光電探測器陣列表現出較高的溫度耐受性。結果表明，基于大面積BP/PtSe2肖特基結薄膜型光電探測器表現出了迄今為止已報道最高的工作溫度：470 K，光響應度(R)和比探測率(D*)在1850 nm波長下分別為25 A W-1和6.4×1011 Jones。此外，BP/PtSe2薄膜型光電探測器陣列有著大面積高均勻性的優良特性。文章以“Large-Area Black Phosphorus/PtSe2 Schottky Junction for High Operating Temperature Broadband Photodetectors”為題發表在《Small》上 (Small 2023, 19, 2206590)，并被選為內封面（Inside Back Cover）文章進行亮點報道，文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202206590 。

封面鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202370213

圖文解析

圖1. 大面積BP/PtSe2肖特基結的制備。（a）大面積BP/PtSe2薄膜制備工藝流程圖；（b）大面積BP/PtSe2薄膜陣列器件照片；（c）BP/PtSe2薄膜基FET器件SEM圖像和OM圖像；（d）器件結構及材料原子結構示意圖；（e-g）BP/PtSe2薄膜的AFM圖像及BP薄膜和PtSe2薄厚度。

圖1a為大面積BP/PtSe2薄膜器件的制備流程圖。首先通過化學氣相沉積法制備出高質量的大面積PtSe2薄膜，并通過濕法轉移將其轉移到目標襯底SiO2/Si上。利用無氫電化學剝離法獲得了大尺寸黑磷納米片分散液，將分散液滴涂在去離子水表面自拼接形成高質量的BP薄膜。通過提拉法將BP薄膜沉積于轉移后的PtSe2薄膜上，得到圖1b尺寸為3×3 cm2的BP/PtSe2薄膜，并通過物理掩模版法制備了基于復合薄膜的大面積陣列器件。圖1c為部分陣列器件的SEM圖像和OM圖像，溝道長度和寬度分別為37 μm和23 μm。圖1e-g為BP/PtSe2薄膜的AFM圖像和高度分布。BP薄膜的厚度約為15.0 nm (圖1f)，PtSe2薄膜的厚度約為3.0 nm (圖1g)。

圖2. BP/PtSe2薄膜的能帶分布。（a）BP/PtSe2薄膜的KPFM圖像。（b）BP薄膜、BP/PtSe2薄膜、PtSe2薄膜區域對應表面電勢。（c）DFT計算BP薄膜與PtSe2薄膜間的電荷轉移。（d-e）BP、PtSe2和BP/PtSe2薄膜的能帶圖。（f）BP單晶和PtSe2薄膜的Ids-Vds特性。（g）吸收光譜。

為了探索BP/PtSe2薄膜的能帶排列，通過KPFM（開爾文探針力顯微鏡）對BP、PtSe2和BP/PtSe2薄膜的表面電位進行測試(圖2a)。如圖2b統計，在ITO襯底上獲得的薄膜表面電位具有大的電位差。如圖2c所示，通過DFT（第一性原理）計算模擬了BP/PtSe2層間的載流子運動，結果顯示PtSe2中的部分電子轉移至BP并與BP中的空穴進行耦合，使得BP/PtSe2界面內形成強的內建電場?；贙PFM和DFT計算，能帶圖如圖2d和e所示。未形成肖特基結時PtSe2的費米能級高于BP(圖2d)。當肖特基結形成時，有電子從PtSe2轉移到BP，導致界面處費米能級和能帶彎曲的平衡(圖2e)。KPFM結果與DFT計算結果相匹配，證明在BP/PtSe2薄膜中形成了肖特基結能帶結構并伴有較強的層間耦合。如圖2f所示，通過對比BP器件與PtSe2器件的Ids-Vds曲線斜率可以看出PtSe2的電導率更高，驗證了少層PtSe2薄膜的半金屬性質。圖2g顯示了PtSe2和BP薄膜在500~2500 nm的寬帶吸收光譜，BP表現出比PtSe2更強的光吸收，更適合作為吸光層。

圖3. BP/PtSe2薄膜器件的光電探測性能。（a）不同波長激光照射下薄膜器件的Ids-Vds特性曲線。（b-c）BP/PtSe2器件在532~2200 nm不同波長和功率密度激光照射下的光響應。（d-e）Vds=2.00 V時，開/關激光照射下光電流的重復性及響應時間。（f）光電流和響應度與激光功率密度的對應關系。

圖3a分別為無光環境、532 nm可見光照射和1850 nm短波紅外光照射下的Ids-Vds特性曲線。BP/PtSe2薄膜器件在可見光和近紅外光照射下表現出明顯的光響應電流。BP/PtSe2薄膜器件表現出從可見光(λ=532 nm)到近紅外光(λ=2200 nm)的寬光譜響應范圍，如圖3b所示。圖3c為不同光功率密度下的光電流，其中最大光電流可達16.8 μA。在圖3d中，BP/PtSe2器件表現出穩定且可重復的光響應。圖3e顯示，在1850 nm光照下，BP/PtSe2器件的光響應的上升和下降時間分別為40和19 ms。圖3f統計了不同激光功率密度下的R和Iph，1850 nm波長下R和D*最大分別可達70 A W-1和5.3×1012 Jones。

圖4. BP/PtSe2器件的在復雜高溫環境下的光電探測性能。（a）高溫環境下單一材料基器件與肖特基結器件信噪比(S/N)差異示意圖。（b-d）Vds=2 V，λ=1850 nm，Pin=3.78 mW cm-2時，BP薄膜、BP/PtSe2薄膜和PtSe2薄膜器件在不同工作溫度下的光電流。（e-f）R和D*隨工作溫度的變化。

基于單一材料的光電探測器在高溫環境下由于強烈的聲子和雜質散射，載流子遷移率顯著降低導致光電流的損失，從而表現出低信噪比(S/N)。而肖特基結可以消除溝道中的雜質散射，并通過內建電場的復合降低了載流子損失，從而提高了信噪比(圖4a)。為了探究單一材料和復合材料器件的溫度耐受性，分別研究了BP薄膜、PtSe2薄膜和BP/PtSe2薄膜器件在溫度升高時的光響應性能。圖4b-d分別為BP薄膜、BP/PtSe2薄膜和PtSe2薄膜器件在Vds為2 V和1850 nm波長光照下隨著工作溫度升高的光響應曲線(Ids-t曲線)。在相同工作溫度下，BP/PtSe2薄膜器件與BP薄膜和PtSe2薄膜器件相比不僅光電流顯著增強，并且暗電流遠低于BP和PtSe2薄膜器件。BP和PtSe2薄膜器件的失效溫度分別為400和350 K,而BP/PtSe2薄膜的最高工作溫度可達470 K。圖4e和f顯示了BP/PtSe2薄膜、BP薄膜和PtSe2薄膜器件在不同工作溫度下的R和D*。在最高工作溫度為470 K時，BP/PtSe2薄膜器件的R和D*分別高達25.16 A W-1和6.39×1011 Jones。

圖5. BP/PtSe2薄膜載流子運動示意圖。（a-b）在室溫和高溫下，單一薄膜器件的內部載流子遷移過程。（c-d）在室溫和高溫下，肖特基異質結器件的內部載流子遷移過程。

為了探究高溫下BP/PtSe2肖特基結器件的具體機理，從載流子復合減少和載流子散射調制兩個方面揭示了這一現象。圖5分別為室溫和高溫條件下單一材料器件和肖特基結器件溝道中光生載流子的遷移和復合行為。如圖5a和c所示，室溫下BP/PtSe2器件的光響應增強主要是由于光生空穴數量的增加。光生空穴來源于兩方面，首先在內建電場作用下，PtSe2中的光生空穴漂移到BP溝道，使得溝道中光生空穴顯著增多。此外，BP薄膜中的光生電子-空穴對在內建電場作用下復合被抑制進一步增加了光生空穴的數量。如圖5b所示，對于輕摻雜的半導體，載流子的遷移率主要由聲子散射決定。單一材料器件中的光生空穴由于聲子和雜質的散射，極大地降低了載流子遷移率，并且載流子散射也加速了光生電子-空穴對的復合，導致光生空穴數量的減少。相比之下，BP/PtSe2器件由于肖特基結器件中BP溝道的載流子散射被半金屬PtSe2耗盡，使得溫度升高對載流子遷移率的調制相對較弱，同時在內建電場作用下進一步抑制了光生電子-空穴的復合，使光生空穴損失減小，從而表現出良好的耐高溫特性，如圖5d所示。

圖6. 均勻的大面積BP/PtSe薄膜陣列器件。（a）大面積BP/PtSe2薄膜納米器件的SEM圖像。（b）50個選定器件在波長1850 nm光照下的光響應曲線。（c）50個選定器件的光電流和響應率統計數據。

通過對BP/PtSe2薄膜陣列器件進行隨機取樣測試，BP/PtSe2薄膜陣列器件對紅外光的響應表現出良好的均一性，進一步證實了薄膜材料的均勻性。圖6a為大面積BP/PtSe2薄膜陣列器件的SEM圖像。圖6b為隨機選取50個器件的光響應曲線。τrise和τdecay的平均值分別為39和16 ms。此外，BP/PtSe2薄膜陣列器件在光電流、響應度和探測率方面表現出極高的均勻性，平均值分別為1.48 μA、39.78 A W-1和1.54×1012 Jones (圖6c)。

通訊作者簡介

馮晴亮，西北工業大學化學與化工學院長聘副教授，博士生導師。2011年、2016年先后在蘭州大學化學與化工學院先后取得了學士、博士學位；2012-2016年在北京大學納米化學中心張錦院士課題組聯合培養。2016年7月加入西北工業大學至今，致力于二維材料宏量制備方法學，能帶工程及寬光譜光電器件應用研究。在國家自然科學基金面上/青年、JKW重點項目、國家重點研發計劃、陜西省重點研發等項目支持下，獲陜西省中青年科技創新領軍人才、中國科協“青年人才托舉”、中國發明創業獎創新獎二等獎、中國儀器儀表學會朱良漪分析儀器創新獎-青年創新獎等榮譽。作為通訊作者或第一作者在Adv. Mater, Adv. Func. Mater, ACS Nano, Small等著名期刊發表學術論文20余篇，封面論文3篇，論文總被引用超5000次；受邀擔任是Nat. Synth., Adv. Mater., Adv. Func. Mater.等頂級期刊特邀審稿人。目前已申請國家發明專利13項，授權5項、成果轉化1項。

項目科研助理招聘

實驗室由于發展需要，現招聘科研助理1-2名，取得材料化學、物理化學碩士學位者優先，有低維材料合成、微納電子器件、光電探測器件、集成電路設計等研究背景者優先。要求具備獨立從事科研的能力、有較強的科研興趣和責任感，良好的團隊合作精神以及積極向上的生活態度。崗位待遇面議。課題組項目經費充裕，氛圍融洽，歡迎感興趣的同學聯系，個人郵箱：fengql@nwpu.edu.cn。