哈尔滨工业大学&东北林业大学Nano Letters:高质量Bi2O2Se纳米片的低温生长实现超低暗电流弱光探测

成果介绍

Bi₂O₂Se是一种新兴的n型半导体，但传统生长方法常依赖高温或复杂的多源系统，这会引入缺陷并限制器件集成。近日，哈尔滨工业大学张甲教授，东北林业大学陈文帅教授报道了一种简化的改进物理气相沉积法，可在500 °C的较低温度下生长单晶Bi₂O₂Se纳米片。利用该纳米片作为沟道材料，制备了具有不对称结构的自供能光电探测器，其展现出约10 fA的超低暗电流、弱光探测能力（50 nW/cm²），以及高达1.06 × 10¹³ Jones的探测率。该器件同时具备快速响应时间和优异的长期稳定性——在大气环境中存放12个月后性能衰减低于10%。此外，单像素成像实验显示出高对比度和高保真度。本工作为高质量Bi₂O₂Se纳米片的低温生长确立了实用路径，并彰显了其在弱光探测、宽带传感和芯片级光子系统中的强大潜力。

图文导读

图1. Bi₂O₂Se纳米片的生长与表征。(a) 改进的物理气相沉积法合成Bi₂O₂Se纳米片的示意图。(b) Bi₂O₂Se粉末在常压与低压条件下的蒸发行为示意图。(c) Bi₂O₂Se的晶格结构示意图。(d) 原位生长的Bi₂O₂Se纳米片的高分辨透射电子显微镜图像。插图为对应纳米片的选区电子衍射图谱。(e−h) 高角环形暗场像以及对应的铋、氧、硒元素分布图。

图2. Bi₂O₂Se纳米片的表征。(a) Bi₂O₂Se纳米片的扫描电子显微镜图像。(b) Bi₂O₂Se纳米片的拉曼光谱。(c) 生长在云母衬底上的Bi₂O₂Se纳米片的XRD图谱。(d−f) 分别为Bi、O、Se元素的XPS能谱。

图3. 基于Bi₂O₂Se纳米片的自供能光电探测器的结构与光电探测性能。(a) 自供能光电探测器在紫外-近红外光照下的工作示意图。(b) 自供能光电探测器在暗态下的电流-电压曲线。插图为具有非对称结构的自供能光电探测器的光学图像。(c) 零偏压下，在不同波长光照下的电流-时间曲线（光功率密度 P = 0.33 mW/cm²）。(d) 零偏压下的暗电流。(e) 自供能光电探测器在紫外-近红外光照下的响应度（R）与比探测率（D*）。(f) 自供能光电探测器的弱光探测能力（λ = 550 nm，P = 50 nW/cm²）。

图4. 基于Bi₂O₂Se纳米片的自供能光电探测器的光电探测性能。(a) 在550 nm光照下，自供能光电探测器在不同光功率密度下的电流-时间曲线。(b) 在550 nm光照下，光电流随入射光功率密度变化的拟合曲线。(c) 在1050 nm光照下，自供能光电探测器在不同光功率密度下的电流-时间曲线。(d) 在1050 nm光照下，光电流随入射光功密度变化的拟合曲线。(e) 零偏压下，器件在550 nm光照下的响应/恢复时间。(f) 器件在空气中存储12个月前后光电探测性能的比较。

图5. 基于Bi₂O₂Se纳米片的自供能光电探测器的单像素成像。(a) 基于Bi₂O₂Se自供能光电探测器的单像素成像系统示意图。(b) 在510 nm光照下，字母"M"图像的电流映射分布图。

结论与展望

总而言之，该研究通过改进的物理气相沉积法，在500°C的相对低温条件下，于云母衬底上成功合成了Bi₂O₂Se单晶纳米片。该低压环境与衬底倒置的配置有效降低了前驱体的蒸发温度与产物的生长温度，从而实现了高质量、横向尺寸可达560 μm的Bi₂O₂Se纳米片的生长。此外，基于Bi₂O₂Se纳米片构建的自驱动光电探测器表现出约10 fA的极低暗电流，并在紫外至近红外波段展现出高响应度与高探测率。值得注意的是，器件在空气中暴露12个月后仍保持其性能，显示出优异的环境稳定性。同时，其在零偏压下的单像素成像能力体现了高稳定性、快速响应与出色的灵敏度。总体而言，这种改进的PVD方法能够可控合成高质量、大面积的Bi₂O₂Se纳米片，使该材料成为下一代光电子技术中极具潜力的候选材料。

文献信息

Xuanyu Ren, Xuyang An, Xinxin He, Wei Feng, Boqiang Wang, Wenshuai Chen, Feng Gao, Jia Zhang, and PingAn Hu，“Low-Temperature Growth of High-Quality Bi₂O₂Se Nanosheets Enabling Weak-Light Detection with Ultralow Dark Current” Nano Letters Article ASAP

文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c06235

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