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郑州大学&中科院上海技物所Nano Research:原位生长一维Te/二维Bi2O2Se范德华异质结用于高性能自驱动偏振敏感光电探测

2026-07-17 15:52:21

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研究背景

低维范德华材料凭借原子级厚度、可调能带结构以及强光-物质相互作用，在新一代宽波段红外探测器中受到广泛关注。通过垂直堆叠不同维度、不同能带排列的材料构筑的范德华异质结，可以突破传统半导体异质结对晶格匹配的限制，在宽波段与多功能红外探测中展现出巨大潜力。

在众多材料中，碲（Te）与硒氧化铋（Bi₂O₂Se）被认为是构建高性能光电器件的理想单元。碲是一种准一维手性半导体，带隙较窄（约0.35 eV），具有强光学各向异性与优异的环境稳定性，适用于宽波段、黑体辐射及偏振敏感探测；Bi₂O₂Se则是二维层状半导体，带隙适中（约0.8 eV），载流子迁移率高、光响应超快，是高速光电探测的优良平台。然而，单一材料本征载流子浓度偏高，导致暗电流大，限制了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：异质界面处的内建电场可高效分离光生载流子，抑制暗电流并提高灵敏度；其中II型能带排列能够实现电子与空穴的空间分离，尤为有利。但界面质量始终是制约器件性能的关键因素——传统机械堆叠往往引入界面污染与应变，阻碍跨结电荷输运。因此，发展原位化学气相沉积（CVD）技术以获得可控、高质量的范德华界面十分必要。两步CVD法能够合成元素组合更复杂的异质结，为异质结构建提供了更大灵活性。

成果简介

针对上述问题，郑州大学物理学院吴翟教授、中科院上海技术物理研究所赵天歌博士后与余羿叶博士后（通讯作者）在 Nano Research 上报道了采用两步CVD法原位生长的一维Te/二维Bi₂O₂Se混合维度范德华异质结，实现了高性能自驱动、宽波段、偏振敏感光电探测。

在生长策略上，第一步于原子级平整的氟金云母衬底上外延生长Bi₂O₂Se纳米片，云母无悬挂键、与Bi₂O₂Se间存在强库仑静电作用，促进了晶畴的横向扩散生长；第二步以Bi₂Te₃为碲源，Te原子在Bi₂O₂Se表面沿晶格势垒较低的方向定向生长，形成一维Te纳米线，从而构筑出界面清晰的II型能带排列异质结。Bi2Te₃相较于单质碲蒸气压更低、更稳定，其“缓释”特性提供了适中而持续的碲过饱和度，有效抑制随机形核并促进单晶纳米线的各向异性生长。

异质结形貌由生长温度调控：源温从450升至510 ℃时，Te纳米线的形核密度增大、尺寸减小。由于Te[001]晶向与Bi₂O₂Se(110)晶面间的晶格失配仅约3%，Te纳米线倾向于沿相对Bi₂O₂Se的45°晶轴方向生长。拉曼光谱与拉曼mapping证实成功原位生长出高质量单晶异质结，且强度分布均匀。

界面质量对比表明：原位生长的异质界面锐利、干净，而转移法界面存在约5 nm的非晶层并伴随晶格畸变与无序层。原子分辨ADF-STEM清晰呈现了Te的一维螺旋链结构与Bi₂O₂Se的层状结构，以及二者间保留完好的范德华间隙。AFM测得Te与Bi₂O₂Se的厚度分别为330与40 nm；开尔文探针力显微镜（KPFM）显示Bi₂O₂Se表面电位比Te高约40 mV，即Te功函数更高。结合Te的导带底/价带顶（4.02/4.37 eV）与Bi₂O₂Se（4.25/5.05 eV），二者平衡后形成II型能带排列，内建电场由Bi₂O₂Se指向Te，有利于自驱动工作下的载流子分离。

器件性能方面，在0 V偏压、1550 nm光照下，探测器展现出约0.89 A·W^-1的高响应度、比探测率4.06×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W^-1以及快速的上升/下降响应时间29/41 μs；探测波段覆盖520–2000 nm，并在1550 nm附近响应最强，经1000次开关循环后仍保持稳定。光电流-功率拟合因子θ接近1，说明高质量界面有效抑制了缺陷导致的载流子复合。

得益于碲的一维链状各向异性结构，器件还具备优异的偏振探测能力：在520与1550 nm下偏振比分别达到2.2与2.8。基于此，作者演示了偏振光通信（成功接收加密信号“ZZU”的ASCII码）与偏振成像（清晰重建“PD”图案），验证了该异质结探测器在宽光谱范围内的实用潜力。

图注说明

图1 两步CVD法生长的Te/Bi₂O₂Se异质结及其表征。(A)生长过程示意图。(B–D)450、480、510 ℃下合成的异质结光学显微图。(E)Te纳米线（红）、Bi₂O₂Se纳米片（蓝）及Te/Bi₂O₂Se异质结（绿）的拉曼光谱。(F)Te（A₁峰）与(G)Bi₂O₂Se（A₁g峰）的拉曼mapping，显示强度分布均匀。

图2 异质界面的高分辨截面STEM表征。(A)原位生长法与(D)转移法的界面截面STEM图，原位界面锐利干净，转移界面存在约5 nm非晶层。(B)(E)分别为红框、蓝框区域的原子分辨ADF-STEM放大图。(C)(F)原位与转移界面的原子分布示意图——转移界面呈现晶格畸变与无序层。

图3 能带结构与形貌表征。(A)异质结AFM形貌图。(B)Te纳米线与Bi₂O₂Se纳米片的高度剖面（330/40 nm）。(C)KPFM表面电位图（二者相差约40 mV）。(D)(E)平衡前、后的能带结构示意图，平衡后形成II型排列与内建电场。(F)光照下光生载流子的分离过程。

图4 光电探测性能。(A)器件结构示意图。(B)不同波长（520–2000 nm）下的I–T曲线。(C)1550 nm不同光功率下的I–T曲线。(D)光电流随光强变化的拟合（θ接近1）。(E)响应度R与比探测率D*随光强的变化。(F)响应时间（上升/下降29/41 μs）。(G)1000次循环的重复稳定性。(H)与同类光电探测器的比探测率D*对比。

图5 偏振探测与偏振成像。(A)偏振光响应测量示意图。(B)(C)520与1550 nm偏振分辨光响应的极坐标图，偏振比分别为2.2与2.8。(D)用于光通信的偏振各向异性I–T曲线。(E–H)分别在520 nm（E、F）与1550 nm（G、H）、偏振角0°与90°下的“PD”偏振成像结果。

总结展望

本工作采用两步CVD法原位外延生长了一维/二维混合维度的Te/Bi₂O₂Se范德华异质结，并通过与转移法的对比凸显了原位合成策略对获得高质量范德华界面的关键作用。基于清晰界面与II型能带排列，该异质结光电探测器在自驱动模式下实现了520–2000 nm宽波段高性能探测，响应度达0.89 A·W^-1、比探测率4.06×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W^-1、响应时间29/41 μs（@1550 nm）。