Advanced Functional Materials:GaN纳米线光电化学紫外光探测器的载流子动力学调控

相比传统的平面结构,MBE生长的单晶半导体纳米线具有高晶体质量、尺寸可调、大比表面积等优点, 这为调控诸多纳米光学和纳米电子器件的物理性质提供了前所未有的可能性。 尤其在新型的光电化学光探测器中,光生载流子从纳米线流向电解质溶液,并在界面发生化学反应。 因此研究和揭示纳米线中载流子迁移的动力学机理,对发展新型的光电化学光探测器具有重要的启发意义。

中科大微电子学院孙海定课题组发现了GaN纳米线中的载流子竞争机制,并通过表面金属修饰成功调控了载流子的动态平衡,实现了光电化学紫外光探测性能的20倍提升。

由于具有高晶体质量、尺寸可调、大比表面积等优点,GaN纳米线被广泛应用于各种先进的电子和光电子器件中。GaN纳米线特殊的表面性质,与特定的化学溶液相结合,可以组合成各种光电化学器件。在这些器件中,光生载流子从纳米线流向电解质溶液,并在界面发生化学反应。因此纳米线中的载流子传输对器件性能有决定性的作用,研究其中的载流子动力学机理,对于器件性能提升具有十分重要的意义。该研究团队利用分子束外延(MBE)生长的GaN纳米线阵列作为光电极,实现了自供能的光电化学紫外光探测。经研究发现,在p-n结和纳米线表面分别存在一个较快和较慢的载流子迁移过程,这两个载流子过程相互竞争并最终决定了器件的光响应。此外,利用表面Pt金属修饰,通过提高纳米线表面处的电子迁移效率,成功调控了两个载流子的动态平衡,并最终将光电流提高到原来的二十倍。 理论计算进一步解释了Pt对于表面载流子分离和界面化学反应的作用机理。本文中对载流子动力学的理解和调控为今后发展高效的光电化学探测器和其他光电器件提供了新的思路。

论文信息:

Tuning the Charge Transfer Dynamics of the Nanostructured GaN Photoelectrodes for Efficient Photoelectrochemical Detection in the Ultraviolet Band

Shi Fang, Danhao Wang, Xiaoning Wang, Xin Liu, Yang Kang, Huabin Yu, Haochen Zhang, Wei Hu, Jr-Hau He, Haiding Sun*, Shibing Long

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202103007

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103007