在眾多二維材料中，硒化銦（InSe）作為III-VI族層狀半導(dǎo)體，憑借高載流子遷移率、優(yōu)異穩(wěn)定性、層依賴(lài)帶隙與可見(jiàn)光-近紅外可調(diào)的強(qiáng)吸收特性，在下一代光電子與量子器件中備受關(guān)注。黑磷（BP）則以窄直接帶隙、本征雙極性輸運(yùn)與強(qiáng)靜電可調(diào)性著稱(chēng)，在紅外光電子領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)控載流子類(lèi)型與濃度，同時(shí)保持低關(guān)態(tài)電流，契合低功耗運(yùn)行需求。InSe與BP垂直堆疊后，因費(fèi)米能級(jí)失配與互補(bǔ)吸收光譜天然形成II型能帶排列，既產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)載流子分離、實(shí)現(xiàn)寬帶探測(cè)，又為柵控能帶重構(gòu)與極性切換提供了獨(dú)特的物理基礎(chǔ)。
據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，華東師范大學(xué)重慶研究院、上海工程技術(shù)大學(xué)?、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和復(fù)旦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于硒化銦/黑磷（InSe/BP）范德華異質(zhì)結(jié)的柵極可重構(gòu)多功能光電探測(cè)器。研究創(chuàng)新性地利用靜電柵壓調(diào)控異質(zhì)界面能帶排列，實(shí)現(xiàn)了從II型到I型的可逆能帶重構(gòu)，使單一器件同時(shí)具備雙極性光伏效應(yīng)與自適應(yīng)光電導(dǎo)兩種工作模式，器件在可見(jiàn)光（532 nm）至近紅外（1310 nm）波段均有穩(wěn)定響應(yīng)。負(fù)柵壓下呈現(xiàn)正光伏響應(yīng)，暗電流低至10?13 A量級(jí)，光電流開(kāi)關(guān)比超過(guò)10?；正柵壓下切換為負(fù)光伏響應(yīng)與高增益光電導(dǎo)模式，響應(yīng)度達(dá)309 A/W，比探測(cè)率2.41×1011 Jones。更重要的是，該器件打破了傳統(tǒng)II型異質(zhì)結(jié)"高響應(yīng)度與低暗電流不可兼得"的固有權(quán)衡，可模擬人眼明暗視覺(jué)自適應(yīng)切換，并成功結(jié)合深度學(xué)習(xí)完成了不同光照條件下的圖像識(shí)別，為智能成像與自適應(yīng)視覺(jué)系統(tǒng)提供了極具潛力的器件平臺(tái)。研究成果以“Gate-Reconfigurable Multifunctional Photodetection Through Realigning Energy Band”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。
高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)構(gòu)建
研究團(tuán)隊(duì)采用機(jī)械剝離結(jié)合干法轉(zhuǎn)移工藝制備InSe/BP垂直異質(zhì)結(jié)：先將InSe薄片轉(zhuǎn)移至帶285 nm氧化層的硅襯底，再通過(guò)精密轉(zhuǎn)移臺(tái)將BP薄片精確堆疊于InSe之上。研究人員對(duì)該異質(zhì)結(jié)器件進(jìn)行了表征，相關(guān)結(jié)果如圖1所示。純InSe帶隙約1.4 eV，純BP帶隙約0.4 eV，形成異質(zhì)結(jié)后有效帶隙收窄，有利于近紅外光響應(yīng)。
圖1 InSe/BP異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)與基本表征
柵控能帶重構(gòu)
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)輸出特性曲線(xiàn)與轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)的系統(tǒng)測(cè)試并結(jié)合能帶示意圖，解釋了柵壓如何系統(tǒng)性地重塑異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)特性，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。不同于以往通過(guò)內(nèi)建電場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)極性切換的方案，InSe/BP體系的極性變化源于柵誘導(dǎo)界面能帶重排與不對(duì)稱(chēng)載流子輸運(yùn)。這種純靜電調(diào)控的能帶工程策略，不依賴(lài)于缺陷俘獲或接觸效應(yīng)，具有直接、可逆、穩(wěn)定性高的顯著優(yōu)勢(shì)，為可重構(gòu)光電器件提供了可靠的物理基礎(chǔ)。
圖2 InSe/BP異質(zhì)結(jié)器件電學(xué)輸運(yùn)特性與能帶對(duì)齊
雙極性光伏效應(yīng)
能帶重排最直接的光電表現(xiàn)，就是光響應(yīng)極性的柵控可逆切換。研究團(tuán)隊(duì)在零偏壓光伏模式下系統(tǒng)驗(yàn)證了這一雙極性特性，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。
圖3 InSe/BP異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器在光伏模式下的能帶圖與光伏特性
柵調(diào)自適應(yīng)光電導(dǎo)
施加1 V漏壓后，該器件進(jìn)入光電導(dǎo)工作模式，柵壓的調(diào)控能力得到進(jìn)一步釋放，也展現(xiàn)出該工作最具突破性的性能——打破傳統(tǒng)II型異質(zhì)結(jié)高響應(yīng)度與低暗電流不可兼得的固有矛盾，相關(guān)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。
圖4 InSe/BP異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器在光電導(dǎo)模式下的柵控光響應(yīng)特性
雙模式自適應(yīng)成像
高開(kāi)關(guān)比適配強(qiáng)光環(huán)境、高響應(yīng)度適配弱光環(huán)境——這種柵控雙模式特性與人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的明/暗視覺(jué)自適應(yīng)機(jī)制高度相似。研究團(tuán)隊(duì)以此為基礎(chǔ)，驗(yàn)證了自適應(yīng)成像與深度學(xué)習(xí)輔助識(shí)別的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果如圖5所示。
圖5 柵極可重構(gòu)雙模自適應(yīng)成像與深度學(xué)習(xí)驗(yàn)證
https://doi.org/10.1002/adfm.76907
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