Small:原子级薄卤氧化物日盲光电探测器

日盲(200~280 nm)光电探测器由于具有高的安全性、高的抗干扰能力和低的背景噪声,在军事和民用领域具有广泛的应用,包括光通信、导弹追踪、火焰检测、臭氧传感以及化学生物分析等。近年来,二维层状半导体,因其具有原子级薄、无悬挂键表面、柔性透明以及可调能带结构等优点,有望成为制造下一代日盲光电探测器的最有潜力材料之一。然而,目前报道的在日盲区工作的二维光电探测器往往面临严重的低响应度问题。例如,常见的二维材料如MoS2、黑磷等,他们具有相对较窄的带隙,对日盲紫外光的吸收较差;同时,h-BN等宽带隙材料对光诱导电子空穴对的分离效率有限,且光响应度小于1 mAW-1,这严重制约了二维日盲光电探测器的发展。为了解决这些问题,迫切需要寻找对日盲紫外光具有高吸收效率以及良好的电荷激发和分离性能的新型二维宽带隙半导体。

最近,一系列二维三明治型层状半导体,即BiOX材料(X = S,Se,Te,Cl,Br,I),因其在光电探测器中的高性能而受到广泛的关注。BiOX材料由交替的原子[Bi2O2]2+层和离子[X]层组成,其结构中的内建电场和偶极子可以提高电子空穴对的分离效率,从而提高光响应性能。在BiOX材料家族中,BiOCl具有3.0~3.5 eV的宽带隙,且对深紫外光有明显的响应,这使得BiOCl成为构筑日盲光电探测器的潜在材料。不幸的是,大多数报道的BiOCl纳米结构都是用溶液法制备的,这种方法往往面临各种缺点,包括有机污染、晶体尺寸有限、结晶度差等,从而限制了它们的光电性能。化学气相沉积(CVD)法在控制晶体尺寸、取向、形貌和界面清洁度方面具有很大的优势,这为大面积和高质量二维半导体的制备提供了一条有效的途径,然而,迄今为止,二维BiOCl的CVD制备尚未见报道。

为了解决上述问题,华中科技大学材料学院翟天佑教授和武汉光电国家研究中心的李露颖副教授等人通过盐辅助的化学气相沉积法成功在云母衬底上制备出大尺寸(超过20 μm)、原子级薄(最薄为单层0.74 nm)的二维BiOCl纳米片,并构建出高性能的BiOCl日盲光电探测器,这为原子级薄BiOX材料的制备和应用提供了新思路。BiOCl日盲光电探测器在250 nm光照下的响应度为35.7 AW-1,探测波长范围为200-280 nm,覆盖整个日盲区。同时,BiOCl日盲光电探测器的响应度表现出强烈的温度依赖性,其响应度在450 K温度下高达2060 AW-1。这可能是由于热诱导产生的缺陷导致的,如BiO1−xCl1−y晶粒和Bi纳米晶等缺陷。这些缺陷通过原位电子束辐照实验得到证明。与报道的基于二维材料的日盲光电探测器相比,BiOCl日盲光电探测器的响应度更高,具有实际应用的前景。相关论文以“Atomically Thin Oxyhalide Solar-Blind Photodetectors”为题在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202000228)上。