Advanced Functional Materials:基于新型大尺寸二维纳米片的高性能柔性可穿戴光电探测器

超薄二维纳米片(如石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫化物等)由于其独特的2D结构引起的量子限制效应(如高度可调的带隙、高载流子迁移率以及对短沟道效应的出众免疫力等)而具有出色的物理化学性质,引起了科学界的广泛关注,在下一代电子和光电子领域具有潜在的应用。但目前所报道的方法获得的2D纳米片通常面临尺寸小,材料质量差以及厚度和形态均匀性差等问题,因此,缺乏可控的大尺寸2D纳米片的合成是对其器件应用的主要挑战。

华南理工大学材料学院李国强教授(王文樑)课题组应用化学气相沉积法合成出了一种新型大尺寸二维纳米片材料:六方硫化镓(α-Ga2S3),并对材料特性和光电性能进行了详细的阐述。Ga2S3具有p型半导体性质,表现出~3.36 eV的宽带隙,并具有出色的光吸收特性,同时,Ga2S3还具有低成本,无毒和环保特性。因此,2D结构、本征宽带隙半导体特性和优异的光电性能,使得Ga2S3纳米片在下一代纳米光电器件中具有巨大的应用前景。他们合成的大尺寸Ga2S3纳米片表现出高晶体质量和高化学纯度,厚度≈8 nm,横向尺寸超过100 μm。基于Ga2S3纳米片制备了高性能光电探测器,器件测试表现出UV到可见光敏感的宽带光响应。光电探测器对紫外光(355 nm)探测的光响应率和光探测率分别高达9.2 A W-1和1.4×1012 Jones,还显示出在脉冲紫外光下的快速响应率(上升和下降时间<4和<3 ms)。高光灵敏性和快速响应速度的性能可与其他2D材料基光电探测器相媲美甚至更优。此外,还实现了在柔性衬底上的Ga2S3纳米片光电探测器,并表现出良好的机械柔性和稳定性。

该工作实现了新型大尺寸Ga2S3二维纳米片材料的可控合成并发展了基于Ga2S3二维材料的柔性光电探测器,在器件柔性、光电灵敏度等方面取得了显著成效。研究者相信,该研究实现的柔性传感器对发展穿戴式人体活动监测技术、便携式医疗以及人机交互等智能穿戴领域具有重要的科研意义和应用价值,为2D半导体在下一代纳米级智能光电子器件中的应用提供了新方向。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202008307)上。