华南师范大学李京波团队最新成果发表在Materials Horizons: 应力耦合光学调控构建高灵敏度In2S3光电探测器

一、研究背景：

光电探测器是光电系统的关键组成部件之一。近年来，由于其新颖的物理和结构特性，层状二维材料展示出了应用在下一代电子和光电设备的强大潜力。在这推动下，许多具有奇特光电特性的非层状功能材料被重新开发并加入了二维家族。由于其二维结构具有许多优点，这些非层状二维材料（2DNLM）提供了比其类似物更多的功能。但是，由于存在一些缺陷，这些2DNLM器件的性能通常不能令人满意。首先，其表面存在许多不饱和悬挂键，会与衬底相互作用，导致不良的掺杂和非辐射激子复合，从而极大地抑制了它们的性能。而且，这些光电探测器主要在常规的光电导模式下工作，不可避免地速度慢和暗电流大。此外，由于2DNLM很薄，仅仅纳米级厚度，因此其吸收的光强度有限，从而限制了它们的光功率转换效率。因此，有必要开发一种简单而有效的解决方案，全方位克服这些缺陷，提升器件性能。

二、研究的出发点：

针对上述问题，广东工业大学郑照强副教授与华南师范大学李京波教授团队合作，采用一种简单的方法，将应力作用和光学调控耦合在非层状二维材料In₂S₃上，构建了非常灵敏的In₂S₃光电探测器，相关成果发表在Materials Horizons。团队成员将二维In₂S₃放在SiO₂纳米光栅阵列上。一方面，纳米光栅上的二维In2S₃可以自发地形成面内应变形态，从而改变了In₂S₃的局部电子结构。 因此，形成了背对背的内置电场阵列，从而促进了光生电子-空穴对的分离并抑制了暗电流。另一方面，SiO₂纳米光栅阵列会使得部分In₂S₃悬浮，减轻衬底对材料的影响，最后，纳米光栅周围会形成局域场，提高材料的光捕获。实验表明，所构建的器件比常规器件暗电流被减小了1个数量级，而光电流确增加了2个数量级。这些发现表明优化结构设计是提升光电器件性能的有效策略。

三、研究内容：

1、 二维In₂S₃的生长、表征和器件制作

  采用物理气相外延生长二维的In₂S₃纳米片，通过XRD、TEM等表征证明其具有高结晶性，满足器件制作要求。用FIB研磨制备SiO₂纳米光栅，用干法转移将二维In₂S₃纳米片转移到纳米光栅上。最后沉积Ti/Au电极构成双端器件。

图1，In₂S₃和SiO₂纳米光栅的形貌和结构

2、In₂S₃器件的应力作用研究

作者采用原子力显微镜（AFM）结合开尔文探针显微镜（KPFM）来分析器件的应力效果。在AFM图中可以看到，光栅上面的In₂S₃成面内应变形态。对应KPFM图中表明应变部分的费米能级下降，说明局域电子结构发生改变。光致发光图谱和拉曼光谱表明形态应变有助于载流子的分离。基于此，作者用能带结构图来分析器件光电响应过程。

图2，In₂S₃器件的应力作用分析

3、SiO₂纳米光栅的作用研究

在光照作用下，不同于平面的SiO₂衬底，光栅结构可以与入射光形成共振，尤其是440 nm和505 nm的光，会形成更强的光场，增强器件对入射光的吸收，产生更多的电子-空穴对，从而产生更大的光电流。

图3，In₂S₃器件的SiO₂纳米光栅作用分析

4、器件的光谱光电响应研究

为了证明以上理论分析的正确性，常规In₂S₃器件和优化后器件的光电响应性能进行了比较分析。首先是研究器件对不同入射光的响应情况。与光吸收分析相一致，SiO₂纳米光栅上的In₂S₃器件多了两个光电响应峰：440 nm和505 nm，说明纳米光栅确实有助于提升器件的光吸收。

5、 器件的整体光电性能研究

作者详细表征了耦合应力作用和光场调控器件的光电响应性能。结果表明，器件拥有非常高的光开/关比（1.7×10⁶）、突出的光响应度（1810 A/W）、卓越的光探测度（2.09× 10¹⁵ Jones）、快速的响应时间（0.41 ms），是目前已报道的最灵敏的光电探测器之一。此外，器件性能在连续工作500个周期一直保持不变，表现出优秀的稳定性。

图5，器件的光电响应性能分析

一、  总结与展望：

本文开发了一种简单的应变工程结合光学调节来构建新型In₂S₃光电探测器方案。应变工程引起电荷局部化，从而形成背靠背的内置电场阵列，该电场阵列有效地抑制了暗电流并分离了光激发载流子。入射光捕获设计使该设备能够实现增强的光线捕获能力。因此，所构建的器件具有极其灵敏想响应性。这项工作为构建高性能光电器件提供了新的思路和途径。

二、  致谢：

感谢国家自然科学基金（61805044, 11674310）、广东省教育厅重点科研平台和科研项目（2018KTSCX050）和“珠江创新创业团队”项目对本研究的资助。华南师范大学半导体科学技术研究院是论文的通信作者署名单位。

Authous: Jianting Lu, Jiandong Yao, Jiahao Yan, Wei Gao, Le Huang, Zhaoqiang Zheng*, Menglong Zhang, Jingbo Li*

Title: Strain Engineering Coupled with Optical Regulation towards High-sensitivity In₂S₃ Photodetector

Published in: Materials Horizons, 2020, DOI: 10.1039/D0MH00243G

广东工业大学材料与能源学院副教授，2017年7月毕业于中山大学，同年加入广东工业大学，目前主要从事二维材料光电探测器件的开发。研究内容包括新型二维材料的生长、光电性质研究以及微纳器件组装等。目前以第一/通讯作者身份在Mater. Horiz.，Small, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际高水平期刊发表 SCI论文19篇，总引用1300余次，H因子21。目前承担国家自然科学基金、广东省特色创新项目、广东工业大学“青年百人”人才启动项目各一项，担任Adv. Funct. Mater.、Sens. Actuators, B、Sci. Rep.，ACS Appl. Mater. Interfaces 等期刊审稿人。

   郑照强 博士

华南师范大学半导体科学技术研究院二级教授、2001年毕业于中国科学院半导体研究所，获博士学位；2001年2月至2004年8月美国伯克利劳伦斯国家实验室做博士后；2004年9月至2007年5月，美国再生能源国家实验室任助理研究员，2007年5月至2019年1月在中国科学院半导体研究所任研究员、博导、课题组长；2019年1月起任华南师范大学半导体科学技术研究院院长，2015年入选中组部第二批“万人计划”，2015年起享受国务院政府特殊津贴，2014年入选科技部“中青年科技创新领军人才”，2009年获“国家杰出青年基金”。在Nature、Nature Materials、PRL、Nano Letter、Adv. Materials等国际著名期刊发表SCI论文290余篇，被SCI引用超过15000次，H因子56，被引用超过100次的论文有36篇。2017年和2019年入选美国“科睿唯安”（Clarivate Analytics）全球“高被引学者”榜单，2017年作为第一完成人项目“新型半导体深能级掺杂机制研究”获得国家自然科学二等奖。