郑州大学吴翟教授 Nano Research:原位生长的一维碲/二维Bi₂O₂Se范德华异质结用于高性能自供电偏振敏感光电探测

近年来，低维半导体材料因其可调的带结构、强的光物质相互作用以及与混合维度集成的兼容性，在下一代宽带红外光电探测器领域引起了广泛关注。其中，碲（Te）和硒化铋（Bi2O2Se）因其固有的各向异性、高载流子迁移率和宽光谱响应，成为高性能探测的理想候选材料。然而，基于Te和Bi2O2Se的光电探测器性能仍受限于较高的本征载流子浓度，导致较大的暗电流，进而限制了探测率的进一步提升。为了解决这些问题，构建基于这些材料的异质结光电探测器成为一种有效策略，能够实现自供电操作并抑制暗电流。特别是，通过异质结界面工程和能带结构设计，可以构建出高性能的Te/Bi2O2Se异质结光电探测器。本文通过两步化学气相沉积（CVD）方法，在位生长了一维（1D）Te/二维（2D）Bi2O2Se范德华异质结，展示了其在自供电偏振敏感光电探测中的高性能应用。

本研究采用两步CVD法在云母衬底上制备了1D Te/2D Bi2O2Se异质结。第一步，通过CVD法在云母衬底上合成Bi2O2Se纳米片。具体过程为：将200mg Bi2Se3和100mg Bi2O3粉末作为前驱体放置在石英管中心，云母衬底置于石英管下游。在500sccm的N2气流下排气15分钟后，以25°C/min的速率加热至610°C，并保持10分钟，然后自然冷却至室温，得到高质量的Bi2O2Se纳米片。第二步，以Bi2Te3为碲源，在已生长Bi2O2Se纳米片的云母衬底上继续生长Te纳米线。将50mg Bi2Te3粉末作为前驱体替换石英管中心的粉末，调整载气流量为80sccm，加热至480~510°C，保持15分钟后自然冷却至室温，成功制备出1D Te/2D Bi2O2Se异质结。在器件制造过程中，通过电子束光刻技术定义电极图案，并利用双离子束溅射和热蒸发技术分别制备与Te和Bi2O2Se接触的Pt/Au和Cr/Au电极。

图1展示了Te/Bi2O2Se异质结的两步CVD生长过程示意图（图1a）以及不同温度下合成的Te/Bi2O2Se异质结的光学图像（图1b-d）。通过精确控制生长温度和前驱体分布，实现了Te纳米线在Bi2O2Se纳米片上的可控成核和定向生长。随着源温度从450°C升高至510°C，Te纳米线的成核密度增加，尺寸逐渐减小。这是由于源温度升高显著增加了Te源的蒸发速率，降低了临界成核能量势垒，导致成核密度增加。同时，高过饱和度下吸附原子表面扩散长度缩短，限制了单个晶核的生长，从而减小了Te纳米线的长度。此外，由于Te[001]晶向与Bi2O2Se(110)晶面之间较低的晶格失配（3%），Te纳米线倾向于沿相对于Bi2O2Se 45°的晶轴方向生长。

图2通过高分辨率横截面STEM图像对比了原位生长法（图2a）和转移法（图2d）制备的Te/Bi2O2Se异质结界面质量。原位生长法得到的异质结界面清晰尖锐，而转移法则存在约5nm厚的非晶层。进一步放大红色和蓝色矩形区域的原子分辨率ADF-STEM图像（图2b, e）展示了Te的一维螺旋链结构和Bi2O2Se的层状结构，并观察到了范德华能量间隙的存在，证实了通过原位生长法获得了保存完好的范德华异质结。EDS分析（图S4）和原子排列图（图2c, f）进一步证明了原位生长法避免了转移过程中引入的界面污染和晶格畸变，实现了高质量的异质结界面。

图3通过AFM表征了Te/Bi2O2Se异质结的形貌和厚度（图3a, b），并展示了表面电位映射图像及能带结构示意图（图3c-e）。AFM图像显示异质结表面平整干净，Te和Bi2O2Se的厚度分别为330nm和40nm。KPFM表征显示Bi2O2Se的表面电位比Te高40meV，表明Te的功函数高于Bi2O2Se。结合文献报道的Te和Bi2O2Se的导带底和价带顶位置，绘制了异质结在平衡前后的能带结构示意图（图3d, e）。在平衡后，由于Bi2O2Se的费米能级较高，电子从Bi2O2Se扩散至Te，空穴则向相反方向移动，形成内建电场并导致能带弯曲，形成有利于载流子分离的II型能带对齐结构。

图4系统评估了Te/Bi2O2Se异质结光电探测器在不同波长激光照射下的光电性能。图4a展示了光电探测器的结构示意图，图4b为不同波长下的I-T曲线，显示探测器在1550nm处响应最强，符合Te和Bi2O2Se的红外吸收特性。进一步研究1550nm激光下的光电性能（图4c-g），发现随着光功率密度的增加，探测器产生稳定且快速响应的光电流。在较低光功率密度下，探测器表现出最大响应度（0.89A·W⁻¹）和比探测率（4.06×10¹⁰ cm²·Hz¹/²·W⁻¹），以及快速响应时间（29/41μs）。此外，探测器在1000次循环后仍保持稳定的I-T曲线（图4g），证明了其光电性能的稳定性和重复性。图4h对比了本工作与类似器件的比探测率，显示本器件在宽光谱范围内具有更高的比探测率。

图5展示了Te/Bi2O2Se光电探测器在偏振检测中的应用。由于Te纳米线的一维链状结构和各向异性晶体结构，探测器表现出优异的偏振检测能力。图5a为偏振检测示意图，图5b, c分别展示了在520nm和1550nm偏振光照射下的偏振分辨光电响应，偏振比分别达到2.2和2.8。图5d展示了探测器在偏振光通信中的应用潜力，通过编码偏振各向异性成功接收了保密信号“ZZU”的ASCII码。此外，探测器还实现了偏振成像功能（图5e-h），在不同波长偏振光照射下清晰呈现出金属物体上“PD”标记的成像图案，边界清晰且强度对比明显。

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