中大新聞網(wǎng)訊（通訊員林銳娜）近期，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院（微電子學(xué)院）、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省顯示材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉飛教授與鄧少芝教授團(tuán)隊(duì)使用常壓化學(xué)氣相沉積法（atmospheric pressure chemical vapor deposition，APCVD）制備了高質(zhì)量的單晶CsPbBr3微米方片，并利用近藤拓?fù)浣^緣體SmB6納米帶和金屬Au電極構(gòu)建了非對(duì)稱型的Au/CsPbBr3/SmB6器件結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明該非對(duì)稱型器件不僅具有高的光電流、響應(yīng)度和比探測(cè)率特性，還表現(xiàn)出優(yōu)異的自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)特性，有望在光通信、工業(yè)自動(dòng)化和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。該研究成果以“Advanced Self-powered Visible-light Photodetector Based on Asymmetric Au/CsPbBr3/SmB6 Junction”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C。論文第一作者為中山大學(xué)博士生劉再冉，通訊作者為劉飛教授和鄧少芝教授。
研究背景及挑戰(zhàn)
鈣鈦礦材料具有較強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收、較長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度、較大的載流子遷移率以及可調(diào)節(jié)的帶隙等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。然而，CsPbBr3在光電探測(cè)器應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)暗電流較高、響應(yīng)速度較慢和響應(yīng)度較低等問(wèn)題。研究者通常使用制作異質(zhì)結(jié)、同質(zhì)結(jié)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管和構(gòu)建表面等離激元結(jié)構(gòu)等方法提高CsPbBr3光電探測(cè)器的性能，但是這些方法通常受到材料類型、摻雜工藝、精確的層數(shù)控制和復(fù)雜的制備工藝等多種因素的限制。因此如何制造兼具快響應(yīng)速度、高響應(yīng)度且與平面工藝良好兼容的CsPbBr3光電探測(cè)器一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
研究?jī)?nèi)容及亮點(diǎn)
根據(jù)能帶理論，研究人員分別選擇擁有豐富表面電子態(tài)、金屬電導(dǎo)率的近藤拓?fù)浣^緣體SmB6納米帶和Au膜作為CsPbBr3微米方片兩端的電極。由于SmB6納米帶的功函數(shù)（2.76~4.30 eV）低于P型半導(dǎo)體CsPbBr3（4.55~4.79 eV），而Au膜的功函數(shù)（5.10 eV）高于P型半導(dǎo)體CsPbBr3，因此SmB6和CsPbBr3之間形成肖特基接觸，而Au和CsPbBr3之間為歐姆接觸，即Au/CsPbBr3/SmB6可以形成非對(duì)稱性電極型器件結(jié)構(gòu)。
研究人員首先采用實(shí)驗(yàn)室所發(fā)展的APCVD方法成功在云母襯底上制備出高密度的單晶CsPbBr3微米方片，如圖1所示，這些單晶材料具有均勻的矩形形貌，其平面尺寸分布在30 μm~60 μm，均方根表面粗糙度低于1.47 nm，平均厚度約為204 nm。而原子分辨的透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，TEM）圖和明銳清晰的電子衍射圖案（圖1e-f）則表明APCVD法所制備的微米片為結(jié)晶性良好的單斜CsPbBr3相。
圖1. APCVD法所制備的CsPbBr3微米方片的形貌和晶格結(jié)構(gòu)
隨后，研究人員將SmB6納米帶轉(zhuǎn)移至CsPbBr3微米方片的的表面，成功構(gòu)筑了CsPbBr3/SmB6肖特基結(jié)（圖2）。與CsPbBr3微米方片相比，CsPbBr3/SmB6肖特基結(jié)在525 nm處的熒光（photoluminescence，PL）發(fā)光峰的強(qiáng)度降低了2.3倍。進(jìn)一步的熒光壽命測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在形成肖特基結(jié)后，CsPbBr3的熒光壽命明顯降低。這表明CsPbBr3/SmB6肖特基結(jié)的界面自建電場(chǎng)有效提升了電子-空穴對(duì)的分離效率，進(jìn)而抑制了熒光發(fā)射，導(dǎo)致其PL峰強(qiáng)度明顯降低。
圖2. CsPbBr3/SmB6肖特基的表面形貌、結(jié)構(gòu)表征和熒光發(fā)光特性
此外，研究人員還對(duì)比了非對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件在0 V電壓下光響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明，非對(duì)稱型Au/CsPbBr3/SmB6器件的開(kāi)關(guān)比要比對(duì)稱型Au/CsPbBr3/Au器件提升約3倍。而且，非對(duì)稱型自驅(qū)動(dòng)Au/CsPbBr3/SmB6器件還具有高的比探測(cè)率（D*=3.38×1010 Jones）和光響應(yīng)度（R=0.184 A/W），這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件（D*=3.8×108 Jones，R=0.000252 A/W）。此外，與對(duì)稱型CsPbBr3器件（ton=370 ms，EQE=0.061%）相比，非對(duì)稱型Au/CsPbBr3/SmB6器件的光響應(yīng)時(shí)間（ton=80 ms）和外量子效率（EQE=44.5%）均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，非對(duì)稱型Au/CsPbBr3/SmB6器件的自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)特性還優(yōu)于絕大多數(shù)的鈣鈦礦型光電探測(cè)器件，這表明其未來(lái)在光通訊、工業(yè)自動(dòng)化和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
圖3. 非對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件在零偏壓下的時(shí)間響應(yīng)曲線
最后，研究人員分別繪制了非對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件的能帶圖來(lái)探索其光響應(yīng)機(jī)制。從圖4可以看到，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，CsPbBr3/SmB6界面處會(huì)形成0.45 eV的肖特基勢(shì)壘，其表面能帶在界面處向金屬性的SmB6一側(cè)彎曲。相應(yīng)地，空穴阻擋層將會(huì)形成，導(dǎo)致非對(duì)稱型器件的暗電流迅速降低。而光照下，肖特基勢(shì)壘的存在一方面增大了載流子遷移率，另一方面還提高了電子-空穴對(duì)的分離效率，因此非對(duì)稱電極型器件的光響應(yīng)特性明顯優(yōu)于對(duì)稱電極型器件。另外，界面處內(nèi)建電場(chǎng)的存在還能夠保證驅(qū)使零偏壓下的光生載流子越過(guò)肖特基勢(shì)壘而形成光電流，這就解釋了非對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件優(yōu)良的自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)行為。
圖4. 非對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件在明暗條件的能帶圖
通過(guò)能帶剪裁技術(shù)，研究者成功構(gòu)筑了一種非對(duì)稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件，不僅提高了CsPbBr3光電探測(cè)器件的光響應(yīng)特性，還成功解決了傳統(tǒng)光電探測(cè)器中高光響應(yīng)度與快速開(kāi)關(guān)時(shí)間之間的矛盾。更重要的是，零偏壓下Au/CsPbBr3/SmB6器件的自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)特性要優(yōu)于許多其他二維材料基光電探測(cè)器，這將為未來(lái)研究者制備基于二維材料的高性能自驅(qū)動(dòng)光電探測(cè)器提供一種新的技術(shù)方案。
本工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目的資助，以及中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省顯示材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。
