Advanced Functional Materials:钠辅助外延生长二维超薄Sb2Se3纳米片及其宽光谱光电探测应用

二维材料有希望成为未来半导体工业的核心材料,因其具有优异的光电性质、大的可调性以及与现代微纳加工的结构兼容性。最近几年,V-VIA(V = Sb, Bi, As; VI = S, Se, Te)的二元硫属化合物,作为一族新的二维材料,因其具有优秀的拓扑绝缘性、大的Seebeck系数、显著的光电导效应,有望应用于下一代低能耗量子自旋器件、热电冷却器件和光伏器件,从而引起了广泛的关注。尤其是其中的Sb2Se3,特别有希望应用于光电探测领域,这是因为Sb2Se3具有一系列优异的性质,例如本征p型半导体、窄的直接带隙(1.0 -1.3 eV)、大的吸收系数(10-5 cm-1)、强的面内各向异性以及单一稳定的相结构等;此外,Sb2Se3 还具有无毒、组成元素含量丰富和van der Waals结构的特点,使其适用于制备环境友好型、低廉、高效的光电探测器。

 然而,目前文献报道的二维Sb2Se3材料基本都是使用基于液相法的制备方法,其制备过程一般很复杂、耗时、毒性大;并且制备出来的材料通常无规则形貌、结晶质量差、横向尺寸小、厚度不可控,因而严重限制了在光电领域的应用。而CVD目前被公认是制备可控形貌、尺寸和结构的高质量二维材料的好方法。但是,截止到现在,使用CVD制备二维Sb2Se3材料还没有被报道。这可能主要是因为Sb2Se3的本征一维链状结构特性,使其在传统的CVD过程中很容易生长成一维纳米结构;并且,Sb2Se3材料本身在高温下容易氧化和分解,使其CVD制备更加困难和充满挑战性。

为了打破这些合成困难的限制,在本研究工作中,使用了钠辅助CVD外延生长的合成策略,成功实现了二维超薄Sb2Se3晶体的制备。其中,制备的二维Sb2Se3纳米片最薄的厚度低至1.3 nm,横向尺寸可达24 微米,实现了Sb2Se3较高的二维各向异性生长。结合实验和理论计算,提出了钠辅助外延生长的生长机理,即钠吸附之后(010)晶面具有较低的形成能,从而使二维Sb2Se3纳米片优先沿着(010)晶面进行生长。基于二维Sb2Se3 纳米片制备的光电探测器展现了优异的光电性能:显著的宽光谱响应(从紫外到可见直至近红外区域)、高的响应度(4320 mA/W)、快速响应时间(上升时间是13.16 ms,下降时间是9.61 ms)及其强的各向异性比(2.5@ 532 nm)。研究者相信,这种钠辅助CVD外延生长的合成策略可以为合成其他新的具有类似本征一维链状晶体结构的二维材料提供一定的参考价值。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201909849)上。