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武汉大学林乾乾教授团队 AFM：光电输运调控实现硫化物窄谱光电探测

时间：2023-01-17 来源： 浏览：

武汉大学林乾乾教授团队 AFM：光电输运调控实现硫化物窄谱光电探测

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#硫族化合物半导体 2 个
#电荷输运 3 个
#窄谱光电探测 2 个
#缺陷复合 2 个

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近年来得益于简单和低成本的可加工性和可调谐的光电特性，基于硫族化合物的薄膜太阳能电池取得了成功，但由于与陷阱态相关的复杂电荷传输，它们在光电探测领域中很少被利用，尽管已有报道的硫化物探测器，但其一般用于宽带可见光探测，在通信成像等场景中还是会受到一定的限制。因此，设计一种新型基于硫化物的窄谱探测器对于拓宽硫化物探测器在实际应用领域十分重要。
近日，武汉大学物理科学与技术学院林乾乾教授团队在 Advanced Functional Materials 上发表了题为 “Chalcogenide-Based Narrowband Photodetectors for Imaging and Light Communication” 的论文。武汉大学物理科学与技术学院博士生许亚伦为本文第一作者，林乾乾教授为本文通讯作者，这项工作的合作者还包括武汉大学工业科学研究院的王度研究员和雷诚教授。本论文采用电荷收集窄谱化（ Charge Collection Narrowing ）的器件设计策略，基于硫族材料光吸收与载流子输运距离，对器件的厚度进行精细化的调控，实现了无滤光片的窄谱响应。优化过后的器件具有优异的探测器性能，并且在彩色成像和光通信领域具有极大的潜力。
图 1 a) 器件结构示意图； b) 典型截面扫描电镜； c) CCN 概念的示意图吸收系数和 EQE ； d) 模拟的器件光场分布； e) 不同波长下器件产生率分布图； f) 基于光学建模的 600 nm 和 950 nm 波长光的产生率分布情况。
图 1 所示为实现所需要的窄谱响应效果，以基于 Sb 2 Se 3 器件为研究对象，利用实验测得的光学常数（折射率消光系数）用传输矩阵的方法计算出实现窄谱响应的光场分布以及产生率分布，从而可以分析出光生载流子在器件中的分布情况以指导实验。此外，除了光学方面的考量，团队还在电学方面对器件进行了相关的测试，如图 2 所示。包括对材料本身进行瞬态光泵浦太赫兹透射（ OPTP ）测试来测定 Sb 2 Se 3 薄膜的寿命以及复合情况，利用电容电压谱（ CV ）和驱动电容分析（ DLCP ）来测定器件中缺陷的分布情况，再通过瞬态光电导（ TRMC ）测试材料的迁移率，最后分析出不同情况下的扩散长度的分布，从而指导实验中光吸收层厚度的调控。
图 2 a) OPTP 光谱探测的载流子动力学； b) CV 图； c) CV 和 DLCP 确定的载流子密度分布； d) 不同波长下 Sb 2 Se 3 薄膜的 TRMC 衰减情况； e) 不同激发波长和不同光通量下的 Sb 2 Se 3 薄膜的电荷载流子迁移率； f ）根据得到的寿命和迁移率推断的扩散长度。
图 3 a) 不同波长的 J-V 曲线； b) 不同厚度的 Sb 2 Se 3 窄带光电二极管 EQE 光谱； c) 响应率，比探测光谱； d) 光强相关的 J-V 曲线； e) 线性动力学范围； f) 优化后的 Sb 2 Se 3 窄带光电二极管器件稳定性。
对于器件性能如图 3 所示，在不同波长下测试器件光电流，调控不同厚度器件的 EQE 以及光电探测器相关的线性度，比探测率，响应度以及稳定性的一系列测试。图 4 证明了此种方法在其他硫化物上的可行性，制备了基于 ZnS ， CdS ， Sb 2 S 3 和 Sb 2 Se 3 的不同波长响应的窄谱探测器，并演示了对于不同颜色的光电传感器模型。
图 4 a) 蒸发的 ZnS 、 CdS 、 Sb 2 S 3 和 Sb 2 Se 3 的薄膜吸收光谱和 b) EQE 光谱； c) 演示了基于窄带硫化物探测器的用于颜色识别的图像传感器模型。
图 5 a) 基于 Sb 2 Se 3 窄带光电二极管在不同波长光照下的时间光响应； b) 重复性测试； c) Sb 2 Se 3 窄谱探测器的瞬态光电流； d) 数据速率测试示意图； e) 记录的信号输出； f) 用于音乐传输的光通信系统的示意图。
此外，如图 5 所示，利用稳定并且超快的响应（ 240 ns ），团队将光通信设备与原型器件整合，实现了高频的音频传输，并且由于器件的窄谱响应减弱了杂光产生的噪声，环境光对于通信系统的传输几乎没有影响，显示出其在通信领域极大的应用潜力。
作者团队简介 ：
武汉大学物理学院林乾乾教授团队主要从事半导体材料光电表征和器件的研究，包括瞬态光谱、载流子动力学和缺陷表征，光电探测器，薄膜太阳能电池和硫化物半导体等，相关研究成果发表在 Nature Photonics (2), Nature Energy, Applied Physics Reviews (2), Nature Communications (2), Matter,  Advanced Materials, Advanced Energy Materials 和 Advanced Functional Materials (3) 等期刊。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202212523

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