二維（2D）鐵電材料可以產(chǎn)生體光伏效應(yīng)（bulk photovoltaic effect，BPVE），這使得它們?cè)谧怨╇姽怆娞綔y(cè)器領(lǐng)域極具潛力。然而，由于弱躍遷強(qiáng)度和寬帶隙，導(dǎo)致二維鐵電材料的光響應(yīng)較弱，限制了其實(shí)際應(yīng)用。以往對(duì)體光伏效應(yīng)的研究多集中于鐵電氧化物，近期一些二維材料體系研究雖也展現(xiàn)出體光伏效應(yīng)，但大多聚焦面外（out-of-plane，OOP）方向，面內(nèi)（in-plane，IP）方向因光響應(yīng)弱而報(bào)道較少。過(guò)渡金屬氧化物NbOI?是一種新型二維鐵電半導(dǎo)體，具有面內(nèi)鐵電極化、出色壓電性能等優(yōu)點(diǎn)，但其低光響應(yīng)限制了在光電器件中的應(yīng)用。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，華南師范大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)使用具有明顯面內(nèi)極化的NbOI?和高吸收MoSe?層構(gòu)建了范德華異質(zhì)結(jié)。這項(xiàng)研究促進(jìn)了對(duì)通過(guò)體光伏效應(yīng)的自供電機(jī)制的理解，并為未來(lái)的自供電器件提出了新的策略。這項(xiàng)研究以“In-Plane Bulk Photovoltaic Effect in a MoSe2/NbOI2 Heterojunction for Efficient Polarization-Sensitive Self-Powered Photodetection”為題發(fā)表在Nano Letters期刊上。
NbOI?具有典型的范德華層狀結(jié)構(gòu)（如圖1a）。MoSe?/NbOI?光探測(cè)器是通過(guò)機(jī)械剝離和干法轉(zhuǎn)移制備的，器件結(jié)構(gòu)如圖1d所示。MoSe?/NbOI?形成了II型異質(zhì)結(jié)，其能帶結(jié)構(gòu)如圖1e所示。
圖1 基于MoSe?/NbOI?異質(zhì)結(jié)的自供電光電探測(cè)器
研究人員利用超快光譜法研究MoSe?/NbOI?異質(zhì)結(jié)的電荷能量轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。圖3a展示了直流極化條件下MoSe?/NbOI?異質(zhì)結(jié)器件的暗電流隨時(shí)間的變化，自供電器件的工作原理如圖3d所示。
圖2 MoSe?/NbOI?異質(zhì)結(jié)的超快電荷轉(zhuǎn)移
圖3 通過(guò)直流極化實(shí)現(xiàn)自供電的MoSe?/NbOI?異質(zhì)結(jié)器件
研究人員還對(duì)MoSe?/NbOI?異質(zhì)結(jié)器件的典型特征進(jìn)行表征述，以評(píng)估自供電探測(cè)器的性能，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。
圖4 MoSe?/NbOI?光電探測(cè)器的自供電光響應(yīng)。
綜上所述，這項(xiàng)研究成功地構(gòu)建了基于NbOI?和MoSe?兩種半導(dǎo)體層材料的范德華異質(zhì)結(jié)。該MoSe?/NbOI?異質(zhì)結(jié)在幾皮秒內(nèi)發(fā)生超快電荷轉(zhuǎn)移，從而促進(jìn)高效的電荷解離和提取。值得注意的是，NbOI?顯示出強(qiáng)烈的面內(nèi)鐵電體光伏效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了自供電光電探測(cè)器。直流極化顯著增強(qiáng)了內(nèi)場(chǎng)和內(nèi)置場(chǎng)，從而在可見(jiàn)光至近紅外的寬波段實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)性，響應(yīng)度為101.3 mA/W，超過(guò)大多數(shù)體光伏效應(yīng)器件。內(nèi)部電場(chǎng)和內(nèi)置電場(chǎng)的可切換性，實(shí)現(xiàn)了雙極光響應(yīng)和出色的光探測(cè)自供電偏振靈敏度。這項(xiàng)研究成果突顯了利用面內(nèi)鐵電體光伏效應(yīng)的自供電光電探測(cè)器的巨大潛力。
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05418
延伸閱讀：
《石墨烯市場(chǎng)和二維材料評(píng)估-2023版》
