Nano Res.[器件]│郑州大学吴翟课题组:原位构筑1D Te/2D Bi₂O₂Se范德华异质结,实现高性能自驱动偏振敏感光电探测

近年来，低维范德华材料因其原子级厚度、可调的能带结构以及强的光与物质相互作用，在下一代高性能红外光电探测领域展现出巨大潜力。其中，准一维螺旋链状结构的碲具有窄带隙、强光学各向异性和高环境稳定性，是实现宽带、偏振敏感探测的理想材料；而二维层状硒氧化铋则拥有适中的带隙、高载流子迁移率和超快的光响应速度，是构建高速光电探测器的优异平台。然而，基于单一材料的探测器往往受限于较高的本征载流子浓度，导致暗电流较大，限制了其探测率的进一步提升。构建异质结是解决上述问题的有效途径，其内建电场可有效分离光生载流子、抑制暗电流。特别是具有II型能带排列的异质结，能够实现电子和空穴的空间分离，从而提升光响应效率。尽管已有相关研究，但如何通过可控生长获得高质量、原子级清晰的异质界面，仍是实现高性能探测的关键挑战。

针对上述问题，郑州大学吴翟教授和中国科学院上海技术物理研究所赵天歌、余羿叶等研究人员通过两步化学气相沉积法，原位构筑了高质量的1D Te/2D Bi₂O₂Se混合维度范德华异质结。该异质结具有清晰的界面和理想的II型能带排列结构。基于此结构的光电探测器在自驱动模式下展现出优异性能：在1550 nm光照下，响应度高达~0.89 A·W⁻¹，比探测率可达4.06×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W⁻¹，响应速度快至29/41 μs。更重要的是，得益于Te纳米线的一维各向异性结构，该器件在1550 nm波长下实现了高达2.8的偏振比，并成功展示了在偏振光通信与偏振成像方面的应用潜力。该研究通过对比传统转移方法，证实了原位生长策略在获得高质量范德华异质界面方面的关键优势，为构建高性能混合维度异质结光电器件及其应用开辟了新途径。

图1 Te/Bi₂O₂Se异质结的生长与表征。(a) 两步CVD法生长Te/Bi₂O₂Se异质结的示意图；(b-d) 不同生长温度下合成的异质结光学显微镜图像；(e) Te纳米线、Bi₂O₂Se纳米片及异质结的拉曼光谱；(f-g) Te的A₁特征峰与Bi₂O₂Se的A_1g特征峰的拉曼面分布图。

图2 异质界面质量对比。(a-c) 原位生长法得到的异质界面：(a) 高分辨截面STEM图像，界面清晰锐利；(b) 原子分辨率ADF-STEM图像，可见Te的一维螺旋链结构与Bi₂O₂Se的层状结构；(c) 对应的原子排布示意图。(d-f) 转移法得到的异质界面：(d) 截面STEM图像，界面处存在~5 nm的非晶层；(e) 原子分辨率图像，显示界面无序及晶格畸变；(f) 对应的原子排布示意图。

图3 器件结构和工作机理。（a-b）Te/Bi₂O₂Se异质结AFM图像及Te纳米线和Bi₂O₂Se纳米片高度信息；（c）Te/Bi₂O₂Se异质结表面电势分布；（d-f）器件能带结构。

图4 Te/Bi₂O₂Se异质结光电探测器性能。(a) 器件结构示意图；(b) 不同波长光照下的响应曲线；(c) 不同光强下的瞬态光电流响应；(d) 光电流与光强的关系；(e) 响应度和比探测率随光强的变化；(f) 响应时间；(g) 器件的稳定性测试；(h) 本工作与已报道类似器件的比探测率对比。

图5 偏振探测及应用。（a）偏振探测测试示意图；（b-c）器件对520nm和1550nm入射光的偏振响应；（d）基于偏振响应的光通信应用。（e-f）520 nm和（g-h）1550 nm照射下，器件在0°和90°偏振角下对“PD”图案的成像图。

吴翟，郑州大学物理学院教授、博士生导师，中国高被引学者，河南省杰出青年基金获得者，河南省高层次人才。近年来一直在从事低维纳米半导体光电材料与器件的研究，发表SCI论文200余篇，其中包含“ESI高被引论文”20篇，引用超18000余次，“H因子”为75；申请发明专利18项。先后主持了国家自然科学基金-国际合作与交流项目、面上项目、河南联合基金、青年项目，河南省自然科学基金杰出青年、优秀青年项目、中国博士后科学基金项目，河南省科技厅重点研发与推广专项和河南省高等学校重点科研项目等科研项目十余项，荣获中国高被引学者、全球前2%顶尖科学家、河南省中原青年拔尖人才、河南省教育厅学术技术带头人、纳米研究青年科学家奖等荣誉和称号。课题组网站：https://www7.zzu.edu.cn/nanotech/index.htm

赵天歌，中国科学院上海技术物理研究所青年副研究员，中科院特别研究助理，博士毕业于中山大学材料物理与化学专业，从事窄禁带量子结构材料的大尺寸制备与红外光电器件集成研究。以第一/通讯作者在Nature Electronics、Chemical Society Reviews、ACS Nano等期刊发表论文8篇，授权发明专利7项。担任Journal of Semiconductors和Nanomaterials期刊客座编辑。作为负责人获得国家自然科学基金青年基金项目（C类）、国家自然科学基金联合基金重点项目、国家重点研发计划子课题、中国博士后科学基金第5批特别资助（站前）、国家资助博士后研究人员计划B档、中国科学院特别研究助理资助、中国博士后科学基金第75批面上资助等项目。

余羿叶，中国科学院上海技术物理研究所博士后，本科就读于华南理工大学光电信息科学与工程（光电器件）专业，研究生就读于华中科技大学光学工程专业并获得博士学位，从事低维范德华窄带隙半导体材料外延生长、高性能红外光电探测及其前沿交叉应用研究。以第一及共同第一作者在Science、InfoMat、Small等高水平国际期刊发表论文5篇，参与发表论文20余篇，授权发明专利2项。