Advanced Functional Materials:高开关比、快速响应的自驱动WSe2/Bi2O2Se范德华异质结光电探测器

二维材料作为下一代电子及光电子集成器件的前沿基础材料,在广大研究者们的努力探索下不断发展与壮大。Bi2O2Se作为一种高迁移率、空气稳定、制备简单的新兴二维半导体材料,近年来受到国内外学者们的广泛关注。尤其在阵列化合成,晶圆生长,精准刻蚀以及自然氧化物栅介质取得重要突破的前提下,Bi2O2Se可以认为是最有希望实现工业化生产与实际应用的二维材料之一。借助高迁移率和窄带隙的优势,在光电探测领域,Bi2O2Se已初步实现高响应度,高探测度及宽光谱检测的光电应用。然而,高载流子浓度导致的较大的暗电流极及较慢的响应速度极大地限制了其在高性能光电探测领域的进一步发展与应用。因此,有效抑制其暗电流,实现高光开关比及快响应速度,对于降低光电探测器件的能耗损失,提高灵敏等具有重要意义。

鉴于此,华中科技大学材料学院翟天佑课题组通过定点转移的方法制备了新型WSe2/Bi2O2Se范德华异质结,将暗电流降低至pA级别,同时实现了高光开关比、快响应速度、宽光谱响应的自驱动光电探测器的构筑,相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202008351)上。

通过Raman、PL及UPS表征,证实了高质量二维WSe2与Bi2O2Se之间存在较强的层间耦合作用及二型能带匹配关系。因此其电输运测试表现出较大的整流特性,反向暗电流被抑制为pA,整流比可到105。同时,大的内建电场导致光生载流子在带间传输并迅速分离至不同的材料层,导致WSe2/Bi2O2Se光电探测器具有大的光开关比(618),快的响应速度(2.6us),以及从紫外(365 nm)到近红外(2000 nm)的宽响应范围。不仅如此,WSe2/Bi2O2Se同时具备较强的自驱动光电响应特性,光开光比可到105,响应度为284 mA/W。该工作通过构筑范德华异质结构,有效扩展了Bi2O2Se在自驱动、高灵敏度、宽光谱和快速响应光电探测方面的应用。