南京航空航天大学物理学院施大宁教授团队联合复旦大学方晓生教授在 Advanced Functional Materials上发表题为“Robust Superlinear Photoresponse Based on p-Te/n-MoS2 van der Waals Heterojunction”的学术论文。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202420359
1.背景概述
光电探测器具有将光信号转换为电信号的能力，这使得它们在清洁能源、成像、通信、环境监测和生物传感等潜在领域至关重要。大多数研究人员都在通过材料优化和器件架构设计来追求光电器件的小型化和高性能。对于全功能的光电芯片来说，探索在强光下具有高光响应的光电探测器元件的发展是实现光子电路中关键电信号传输的必要条件当在高功率条件下工作时，半导体材料很容易接近饱和吸收的临界点，器件内部也受到热效应的严重影响这些不利因素会降低设备的性能，甚至导致不可逆的损坏，从而形成许多阻碍其持续高效运行的关键瓶颈。新报道的光探测器表现出超线性光响应，不仅将吸收的光子转化为超线性增加的光响应，而且在高辐照度下通过热耗散和离子-声子散射等多种物理机制有效地分配和耗散多余的能量多角度的能量利用和分配策略可以有效调节和减轻入射光功率过大对光电探测器的潜在损害，从而保证系统的长期稳定运行和性能优化。它有可能突破现有光电探测器对高大光功率密度强光的线性响应限制，进一步增强光电信号的强度和处理能力。
本研究开发的具有鲁棒超线性光响应特性的p-Te/n-MoS2范德华异质结光电探测器克服了传统器件在高水平下随光辐照度增加而性能因数降低的局限，为低功耗、高效率的智能光学器件的发展提供了重大突破。在0v偏置570nm光照下，该探测器表现出优异的性能，其响应率为74 mA/W，比探测率为4.1 × 1010 Jones，上升/下降时间为35/34 μs，光电流各向异性比为1.85。与竞争对手相比，该设备在强光下保持竞争的光探测性能，这归因于其超线性光响应。具体而言，其超线性光响应值在254 nm处达到2.0，同时在宽带响应区域也显示出突出的超线性值。结合理论分析，超线性光响应主要归因于一维Te单晶的光门控机制及其优异的空穴传导能力。这项研究为创造高性能光电探测器铺平了道路，在高分辨率成像、光谱分析、神经形态网络等方面具有潜在的应用前景。
2.本文亮点
（1）利用简单的PVD方法，实验得到了具有高线性二色性、优异的空穴导电性和独特的各向异性性能的一维Te单晶。
（2）制作的p-Te/n-MoS2 vdWH光电二极管能够以自供电的方式实现宽带、超快响应和显著的偏振敏感光探测。
（3）p-Te/n-MoS2光电探测器显示出光功率相关的巨大的超线性光响应。
图1. Te/MoS2结构载流子动力学的理论计算。(a) 300 k时Te/MoS2模型的MD模拟过程中温度（右轴）和总能量（左轴）随时间的变化。(b) Te/MoS2模型的电荷密度。(c) Te/MoS2模型的静电电势。(d) Te/MoS2界面的差电荷密度。(e)从Te（蓝线）和Te/MoS2模型（红线）中提取的计算DOS。
图2. Te 单晶的生长和表征。(a) 低维Te单晶生长过程的示意图结构。(b) Te单晶的光学显微镜图像。(c) Te单晶的拉曼光谱。在(d)正交偏振和(e)平行偏振构型下，拉曼光谱随Te旋转角度的等高线彩色图。分别在(f)正交和(g)平行极化构型下，E1和E2模式随偏振角度的拉曼强度极坐标图。
图3. Te/MoS2光电探测器的表征。(a)器件在光照射下的示意图。(b) Te/MoS2光电探测器的SEM。(c) Te/MoS2光电探测器的表面电位差。(d) MoS2、Te及相关Te/MoS2结构的光致发光光谱。(e)在V = 0 V下工作时200-1000 nm的光电流(f)在黑暗和254、405和570 nm光波长下绘制的器件的I-V曲线（P = 5.0 mW/cm2）。
图4. p-Te/n-MoS2光电探测器的光响应特性。在(a) 254、(b) 405和(c) 570 nm波长下，Te/MoS2探测器的R和D*随光辐照度的变化。(d)作为调制频率函数的归一化光电流强度。(e)器件在0.1 kHz、2.5 kHz和4 kHz不同频率下对脉冲光（570 nm）的光响应特性。(f)响应速度通过在4 kHz斩波频率下测量光电流随时间的变化来评估。
图5. Te/MoS2 vdWH探测器的超线性光响应。在波长为(a) 254、(b) 405和(c) 570 nm照射时，光电流与不同激光功率密度的关系。（d-f） 0 V偏置下电流密度与入射光强的幂律拟合。(g)当器件分别被波长为254、405和570 nm的光照射时，Te表面态效应捕获光生电子的能力。(h)激发态热化、复合、捕集和脱落过程的能带图。Ec、Ev、Ef、Et分别表示导带、价带、费米能级和缺陷能级。
图6. (a)偏振Te/MoS2光电探测器原理图。零偏压下Te/MoS2异质结在入射波长分别为(b) 254、(c) 405和(d) 570 nm时的偏振光开关响应。入射波长为(e) 254、(f) 405和(g) 570 nm，各向异性比分别为2.42、2.17和1.85时，零偏压下偏振光响应率的极坐标图。(h) Te/MoS2极化敏感光电探测器与其他低维材料和MoS2基光电探测器的二向色比比较。
图7. (a) 偏振成像系统实验设置。字母“Te”分别在(b) 254、(c) 405和(d) 570波长下在0°和90°处的成像模式。
5.总结与展望
综上所述，实验展示了一种响应速度快、宽带响应、偏振光敏性好的高性能p-Te/n-MoS2 vdWH光电探测器。重要的是，p-Te/n-MoS2探测器表现出相对于入射光波长的超线性光响应。在254、405和570 nm的光照下，得到的α值分别为2.03、1.54和1.23。得益于超线性光响应，该器件在强光照射下表现出与竞争对手具有竞争力的整体性能。实验结果与理论计算和分析相吻合，证实了高迁移率、优异的电输运特性和自组装近表面光控层的精细集成对于实现超线性光响应至关重要。此外，一维Te单晶的螺旋链结构使该器件在日盲到可见光波长范围内具有2.42 ~ 1.85的可调偏振消光比。这种异常高效的光-物质相互作用为在恶劣环境下工作的te相关光电器件提供了有效的途径。
6.课题组介绍
南京航空航天大学物理学院施大宁教授课题组长期从事等离激元纳米结构精准合成、低维半导体材料的可控生长、微纳光电器件构筑的实验与相关理论研究。研究组发展了金属纳米结构和半导体微纳结构的多种可控生长方法，研究各体系新颖的物理化学性质，并开拓了微纳结构在催化、检测、发光和探测等器件中的应用。实现了不同成分超细纳米结构的嵌套生长，提出了微纳器件发光调制的“态填充”机理。近两年来，研究工作取得一系列创新性成果，相关技术申请多项发明专利，相关研究成果已在Light: Science & Applications，Advanced Functional Materials，Chemical Science，Advanced Optical Materials, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale, Photonics Research, Optics Express等期刊发表。