客户成果丨广东工业大学《ACS Nano》：面向高精度无人驾驶的低检测限、快速响应的超灵敏Bi2O2SeIn2S3光电探测器

广东工业大学材料与能源学院郑照强副教授团队在铋氧硒异质结光电探测器件领域取得了最新的进展，该研究成果以“An Ultrasensitive Bi2O2Se/In2S3 Photodetector with Low Detection Limit and Fast Response toward High-Precision Unmanned Driving”为题，发表在《ACS Nano》期刊上。

无人驾驶系统所采用的机器视觉必须具备在低光照条件下准确感知场景的能力。为实现这一目标，具备低探测极限和快速响应的光电探测器至关重要。目前的系统依赖于雪崩二极管或激光雷达，这些器件存在能耗高和系统复杂等缺点。在此，郑照强副教授团队提出了一种基于2D Bi2O2Se/In2S3异质结构的超灵敏光电探测器，并结合了同型单边耗尽能带设计。这一架构能够有效调控自由载流子和光激发载流子的传输，抑制暗电流，并高效分离光生载流子。得益于这些特性，该器件表现出144 A/W的响应度、1.2 × 10¹⁴ Jones的探测率，以及1.1 × 10⁵的光开关比。此外，该器件还展示了170/296 μs的快速响应时间和0.57 fW/Hz¹/²的低噪声等效功率，这些特性表明其具备超弱光成像的能力。此外，本研究成功展示了该器件在无人驾驶系统中的潜在应用，为未来光电器件的设计与制造提供了新的思路与方法。

图1. Bi2O2Se/In2S3光电探测器的结构特性。(a) Bi2O2Se的原子结构和(b) In2S3的原子结构。(c) 制造的Bi2O2Se/In2S3器件的光学图像。蓝色和黑色虚线分别表示Bi2O2Se和In2S3的边界。D和S分别表示漏极和源极电极。(d) Bi2O2Se/In2S3器件的示意图。(e) 来自(c)中红色和绿色标记区域的AFM图像。(f) Bi2O2Se/In2S3异质界面的KPFM图像。(g) Bi2O2Se、In2S3以及异质结构区域的拉曼光谱。(h) Bi2O2Se的HRTEM图像和(i) In2S3的HRTEM图像。插图显示相应的SAED图案。

通过化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)技术，分别合成了2D Bi2O2Se和In2S3纳米片。如图1a所示，层状的二维Bi2O2Se展示了四方结构，具有交替补偿的阳离子[Bi2O2]2n+n和阴离子[Se]2n-n，沿c轴的层间距约为6.08 Å。如图1b所示，非层状的二维In2S3具有立方结构，由共价键形成，其晶格常数为a = b = c = 10.82 Å。图1c和d分别展示了Bi2O2Se/In2S3异质结构器件的光学显微图像和示意图。具有较大直接带隙的In2S3纳米片放置在Bi2O2Se纳米片上，以增强光吸收。图1e中的原子力显微镜(AFM)图像显示，Bi2O2Se和In2S3纳米片的厚度分别为10 nm和74 nm。如图1f所示，测得Bi2O2Se的费米能级(Ef)比In2S3的低约50 meV。图1g展示了Bi2O2Se（绿色曲线）、In2S3（蓝色曲线）和Bi2O2Se/In2S3异质结构（红色曲线）的拉曼光谱。其中，159 cm−1的拉曼峰对应于Bi2O2Se的A1g模式，而245, 305和364 cm−1的峰可以归因于In2S3的A1g模式。图1h和i分别展示了Bi2O2Se和In2S3的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，显示了清晰的晶格条纹，表明其具有高结晶度。观察到的0.28 nm和0.38 nm的晶面间距分别对应于Bi2O2Se的(11̅0)晶面和平面In2S3的(220)晶面。图1h和i中的插图展示了选区电子衍射（SAED）图案，显示了清晰的衍射斑点，表明材料具有单晶性质。这些结果共同验证了Bi2O2Se和In2S3纳米片的高质量。

图2. Bi2O2Se/In2S3光电探测器的光电特性。(a) 在不同偏压下的光电响应谱线对比。(b) 在不同功率密度405 nm光照下的I−V曲线。(c) 在正向偏压下，黑暗（底部）和光照（顶部）条件下的Fowler−Nordheim曲线。(d) 不同偏压下光电流对功率的依赖性，实线表示指数拟合曲线。(e) 在Vds= 1 V时的响应度和探测率。(f) 在Vds = 1 V时的响应时间。(g) 不同结构器件的最大响应度、光开关比和比探测度的对比分析。(h) 不同结构器件的响应时间对比分析。(i) Bi2O2Se/In2S3器件与之前报道的基于Bi2O2Se和In2S3的二维材料光电探测器在响应度、探测率和上升时间方面的比较。(j) 在Vds = 1 V时的光开关比。(k) 器件与已报道的单一Bi2O2Se或In2S3器件以及基于In2S3和Bi2O2Se的器件的最大光开关比对比分析。(l) 在Vds = 1 V时的噪声等效功率。

图2a展示了该器件在不同偏压下的光电响应谱线。在Vds = 1 V时，器件主要表现出从紫外到可见光区域的光响应，对应于In2S3的响应谱。而在Vds = -1 V时，光响应范围扩展至近红外区域。图2b展示了Bi2O2Se/In2S3器件在黑暗和不同功率密度的405 nm光照下的I-V曲线。在光照下，光伏特性较弱，但在正向和反向偏压下都能观察到显著的光响应。特别是，在Vds = 1 V时，器件实现了约6.5 pA的低暗电流和超过1 μA的高光电流，突显出其优异的光探测能力。图2b中表现展示了Fowler-Nordheim曲线，进一步分析了传输机制。正如图2c所示，该器件在黑暗中表现出直接遂穿行为。然而，在405 nm光照下，当Vds超过0.15 V时，器件表现出F-N遂穿行为。图2d展示了光电流随功率在不同电压下的变化。图2e进一步展示了Vds = 1 V时响应度、探测率和光增益随光功率的变化，所有这些值都随着光功率的增加而降低。如图2f所示，在Vds = 1 V时，上升/下降时间常数（τrise/τfall）为170/296 μs，适用于成像应用。图2g−h比较了不同结构器件的光电性能。尽管纯Bi2O2Se器件表现出较高的响应度，但其光开关比较低、暗电流高且响应时间较慢。相反，Bi2O2Se/In2S3器件同时实现了高响应度、高探测率、高光开关比和快速响应时间，满足了下一代光电系统的要求。图2i进一步总结和比较了Bi2O2Se/In2S3器件与报道的基于Bi2O2Se和In2S3的二维材料光电探测器的性能优势。图2j展示了光开/关比值随功率密度变化的散点图。在26.5 μW/cm²的弱光激发下，比值高达2500，凸显了该器件检测弱信号的能力。图2g比较了基于In2S3、Bi2O2Se及其异质结构的二维光电探测器的最大光开/关比值，其中Bi2O2Se/In2S3器件表现出显著更高的值。随后，图2l展示了与功率相关的噪声等效功率，其与光强度成反比，最优值达到0.57 fW/Hz¹/²，这表明Bi2O2Se/In2S3器件能够区分低至0.57 fW的微弱信号，展示了其对噪声干扰的敏感性和抗噪能力。

图3. Bi2O2Se/In2S3光电探测器在无人驾驶中的应用。(a) 无人驾驶系统的示意图。(b) 车辆在遇到障碍物前后的预期行为。(c-f) 无人驾驶系统在原型车辆中的实际应用结果。

图3a展示了无人驾驶系统的实验配置。其中，固定在车辆上的脉冲激光器向前照射，Bi2O2Se/In2S3器件作为接收散射信号的接收器，位于激光器下方。微控制单元从Bi2O2Se/In2S3器件接收信号，并相应地指示车辆前进或左转。图3b以图示方式描绘了车辆的预期行为，具体来说，车辆被编程为在脉冲激光遇到障碍物时左转，否则继续直行。图3c−f展示了无人驾驶系统的实际效果，车辆能够自主快速左转，成功绕过行进路径中的障碍物。

本工作开发了一种超灵敏光电探测器，利用二维Bi2O2Se/In2S3异质结构，专为高精度无人驾驶系统设计。在未来的研究中，这一策略可以灵活应用于其他二维光吸收层，实现宽带光探测，具有补充硅基器件的潜力。

该工作中通过使用TuoTuo Technology 的无掩膜光刻机完成了所有光电探测器的制备工作。该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和广东省信息光子技术重点实验室的资助。

作者信息：广东工业大学材料与能源学院硕士生陈美妃为文章的第一作者；广东工业大学郑照强副教授、中山大学姚健东副教授为论文的共同通讯作者；浙江大学李京波教授、华南师范大学高伟副研究员、杨孟孟副研究员也参与了本项工作。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c08636