客户成果丨华南师范大学《Mater. Horiz.》：基于强层间跃迁p-Ten-MoSe2范德华异质结高性能偏振敏感自供电成像光探测器

平面内各向异性二维(2D)材料为开发新型的不需要滤光片和偏振器的偏振敏感光电探测器提供了机会。然而，目前基于2D 材料的偏振敏感光电探测器由于线二向色性比低，光吸收不足，综合性能还不能满足实际应用的要求。

基于上述现象，华南师范大学李京波教授的团队在研究了层状结构Te纳米片的结构、振动和光学各向异性之后，提出了一种基于强层间跃迁的p-Te/n-MoSe2 范德华异质结(vdWH)的新型偏振敏感自供电成像光电探测器。由于二极管的高整流比(104)，该器件表现出优异的光伏特性。在相对较弱的光强(4.73 mW/cm2)下，光电探测器显示出105的超高开关比，并且在没有任何电源的情况下，器件的最高响应率可达到2106 mA/W。尤其得益于本研究合成的Te纳米片优异的二色性，其光电流的各向异性比(Imax/Imin)可高达16.39 (405 nm, 24.2 mW/cm2)。在零偏置电压下获得的该数值比现有二维光电探测器在偏置电压下的数值大得多。此外，在-0.08 V的低偏置电压下，最高探测率为2.91 x 1013 Jones。这项工作为复杂环境中微弱信号的高分辨率偏振敏感光探测提供了新的方法。

图1 溶液生长Te纳米片的材料表征和各向异性表征。(a) Te纳米片的光学显微镜图像。(b) Te纳米片的HRTEM图像。插图:Te纳米片的衍射图。(c) 拉曼光谱中E1、A1和E2声子模式的原子振动模式及其对应的原子振动方向。(d) 被测纳米片的光学显微镜(OM)图像，显示了晶体轴、实验坐标、入射光和分析散射光的方向，以及入射光与y方向(c轴)之间的角度θ。(e) Te纳米片偏振拉曼强度随波数和入射角的变化图。(f) Te纳米片偏振拉曼强度随波数和入射角的变化图。(g) 平行极化配置下E1、A1和E2模式强度极坐标图。(h) 交叉极化构型下A1和E2模式强度的极坐标图。

李京波教授团队先采用机械剥离法制备了MoSe2纳米片，后用靶转移法制备了p-Te/n-MoSe2。通过在材料表面旋涂光刻胶，再使用托托科技的TTT-07-UV Litho-ACA无掩膜版紫外光刻机（最小线宽：0.8μm）制备相应电极图形后，进行电极沉积并完成器件制备。

图2 p‐Te/n‐MoSe2 vdWH的自驱动光响应特性。(a) 零偏压下不同波长(405、532、635和808 nm, 10 mW/cm2)下异质结构的光响应。插图:激光照射下p‐Te/n‐MoSe2 vdWH界面上光生载体的分离过程示意图。(b) 零偏压下不同功率强度下p‐Te/n‐MoSe2 vdWH的光响应开/关比和线性动态范围(LDR)。(c) 在405 nm不同激光功率下p-Te/n-MoSe2 vdWH的Ids-Vds测量结果。(d) 零偏置电压下不同功率强度p‐Te/n‐MoSe2 vdWH的响应度(R)和外量子效率(EQE)。(e) p‐Te/n‐MoSe2 vdWH器件的探测率(D*)。(f) 基于二维半导体的自供电光电探测器性能总结。(g) 零偏置电压下405 nm波长的一个光响应周期，用于估计上升和下降时间。(h) 200个开/关周期下随时间变化的光响应。(i) Te/MoSe2 vdWH的KPFM映射图像。(j) KPFM映射图像中VCPD的直方图分布。(k) 接触后和0 V光照射下Te和MoSe2的能带图和载流子输运(l) MoSe2和p‐Te/n‐MoSe2 vdWH的PL谱图。

图3 p‐Te/n‐MoSe2 vdWH偏振敏感光探测。(a) 偏振分辨光电流测量实验装置示意图。表示入射光的偏振方向与y方向(Te纳米片的c轴)之间的夹角。(b) 室温下，光功率强度为24.2 mW/cm2，波长为405 nm的偏振光电流。(c) 零偏置电压下入射波长为405 nm (24.2 mW/cm2)的极化光电流。(d) 零偏置电压下入射波长为405 nm的极化光电流极坐标图，各向异性比为16.39。(e) 不同二维材料的光电流各向异性比比较。

图4 p‐Te/n‐MoSe2 vdWH偏振敏感光探测。(a‐d) 零偏置电压下入射波长为405 nm (24.2 mW/cm2)的极化响应度(a) 、EQE (b) 、探测率 (c) 和LDR (d) 的极坐标图。(e) 0°、90°和180°极坐标图提取的响应度和EQE直方图。(f) 从0°、90°和180°极坐标图中提取的探测率和LDR直方图。

图5 p‐Te/n‐MoSe2 vdWH光电探测器的成像传感能力。(a) 偏振成像测量系统示意图。(b‐c) “SCNU”字母在偏振角分别为0° (b) 和90° (c) 时的成像结果。

综上所述，利用角分辨偏振拉曼光谱对多层Te纳米片的非中心对称晶体结构进行系统研究后，制备了基于多层p-Te/n-MoSe2 vdWH的高性能偏振敏感成像光电探测器。该器件具有大开关比光电流(105)，高响应率(2106 mA/W)，快速响应速度(~20 ms)，特别是在零偏置电压下具有16.39的超高光电流各向异性比。本文提出的多层p-Te/n-MoSe2异质结器件不仅为构建紧凑的低能耗单片偏振敏感成像系统提供了潜在的构建模块，而且为探索新型二维和类二维材料走向实际应用提供了另外的方案。

相关成果以“High Performance Polarization-sensitive Self-Powered Imaging photodetectors based on p-Te/n-MoSe2 van der Waals Heterojunction with strong interlayer transition”为题发表于国际知名期刊《Materials Horizons》上，也得到了国家自然科学基金、广州市科技计划、珠江人才引进计划等项目的支持。