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窄帶隙半導(dǎo)體（如GaSb納米線）因高表面體積比導(dǎo)致表面態(tài)豐富、載流子濃度高，引發(fā)暗電流大、光暗電流比低、響應(yīng)速度慢等問題，制約近紅外探測(cè)性能。表面鈍化、范德華集成等方法仍存在穩(wěn)定性或工藝復(fù)雜性挑戰(zhàn)。構(gòu)建II型異質(zhì)結(jié)，利用內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)光生載流子分離，實(shí)現(xiàn)自供電探測(cè)，避免外部偏壓需求。GaSb納米線（NW，帶隙0.72 eV，高遷移率）與Bi?O?Se納米片（NS，帶隙0.8 eV）形成能帶匹配的異質(zhì)結(jié)。

近日，山東大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型混合維度（GaSb納米線/Bi?O?Se納米片）II型異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建及其在自供電近紅外光電探測(cè)與光通信中的應(yīng)用。通過化學(xué)氣相沉積（CVD）制備材料，結(jié)合接觸印刷技術(shù)形成有序納米線陣列異質(zhì)結(jié)。該異質(zhì)結(jié)憑借~140 meV的內(nèi)置電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了超低暗電流（0.07 pA–0.08 pA）、高光暗電流比（82–182）和超快響應(yīng)（<2/2 ms–6/4 ms）。該異質(zhì)結(jié)器件在零偏壓下展示了寬帶近紅外探測(cè)能力，并成功應(yīng)用于成像和光通信系統(tǒng)，為高性能自供電光電探測(cè)器提供了新平臺(tái)。這項(xiàng)研究以“Mixed-Dimensional Nanowires/Nanosheet Heterojunction of GaSb/Bi2O2Se for Self-Powered Near-Infrared Photodetection and Photocommunication”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊上。

GaSb納米線和Bi?O?Se納米片是在雙區(qū)管式爐中通過化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制備的。GaSb納米線和Bi?O?Se納米片通過PMMA輔助濕轉(zhuǎn)移法構(gòu)建混合維度異質(zhì)結(jié)。該異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)表征、表面電位差分布如圖1所示。

圖1 GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建

在成功構(gòu)建納米線/納米片異質(zhì)結(jié)后，研究人員探究了該器件的光探測(cè)行為。得益于GaSb和Bi?O?Se的窄帶隙，所制備的納米線、納米片和納米線/納米片異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器都表現(xiàn)出寬帶光探測(cè)能力，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。

圖2 GaSb納米線、Bi?O?Se納米片及GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)行為

內(nèi)置電場(chǎng)有助于GaSb納米線/Bi?O?Se納米片異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的自供電近紅外光探測(cè)行為，在520 nm和1310 nm激光照明下，研究人員還進(jìn)一步探究了納米線/納米片異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的自供電光探測(cè)行為，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。

圖3 GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結(jié)的自供電近紅外光探測(cè)性能

有序納米線陣列被認(rèn)為是光電子器件大規(guī)模集成的有前途的候選者。圖4研究了GaSb納米線陣列和GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的光電探測(cè)行為。結(jié)果表明，該器件的出色的光探測(cè)性能使納米線陣列/納米片混合維度異質(zhì)結(jié)成為自供電近紅外光探測(cè)的有效策略。

圖4 GaSb納米線陣列和GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)性能

最后，研究人員基于納米線陣列/納米片混合維度異質(zhì)結(jié)自供電光電探測(cè)器進(jìn)行單像素成像和光通信應(yīng)用，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，該異質(zhì)結(jié)器件憑借其超快光響應(yīng)和卓越的感光靈敏度，在近紅外成像和光通信方面具有廣闊的前景。

圖5 成像與光通信應(yīng)用演示

綜上所述，這項(xiàng)研究成功構(gòu)建GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度II型異質(zhì)結(jié)。該異質(zhì)結(jié)器件在零偏壓下實(shí)現(xiàn)高性能自供電近紅外探測(cè)：超低暗電流（0.07–0.08 pA）、高光暗電流比（82–182）、超快響應(yīng)（<2–6 ms）。納米線陣列異質(zhì)結(jié)進(jìn)一步增大光電流（提升2倍），適用于成像與光通信。這項(xiàng)研究演示了自供電近紅外成像和光通信功能，為物聯(lián)網(wǎng)和低功耗光電子器件提供新方案。