王中林Adv. Mater. ：基于熱釋電光電子學效應的寬譜光探測(325-1550 nm)

【引言】

具有纖維鋅礦結構的硫化鎘（CdS）是一種研究非常廣泛的半導體材料，其禁帶寬度為2.42 eV。硫化鎘在光電器件方面應用廣泛，包括發光二極管、光探測器、太陽能電池、光開關和激光器等。其中，硫化鎘光探測器由于其能帶的限制，僅限于對紫外和可見光波段的探測，且響應速度相對較慢（多數情況下大于幾十毫秒）。因此，開展具有寬響應、自驅動、快速和高靈敏度的硫化鎘光探測器的研究具有重要意義。

此外，硫化鎘由于其非中心對稱性而具有熱釋電性能，當溫度變化時將產生熱釋電極化電荷，從而在沿著硫化鎘晶體的極性方向獲得一個瞬時電勢。p型半導體和n型半導體之間形成pn結，通過熱釋電電勢可以調制pn結的內建電場，從而影響載流子的光電過程，這一現象被稱為熱釋電光電子學效應（Pyro-Phototronic Effect）—— 一種基于熱釋電效應、光激發和半導體三者之間的耦合效應。基于熱釋電光電子學效應，可以實現快速和寬譜的光探測。

【成果簡介】

近日，在佐治亞理工學院教授、中科院北京納米能源與系統研究所所長王中林院士的指導下，戴葉婧副教授、王幸福博士和彭文博博士等研究人員通過簡單的水熱合成法制備了基于p-Si/n-CdS異質結的自驅動柔性光探測器件，其光響應范圍甚至超出了Si和CdS的本征帶隙的限制，展示了從紫外（325 nm）到近紅外（1550 nm）波段的寬譜響應，且具有較快的響應速度（幾百微秒~幾毫秒）。這歸因于熱釋電光電子學效應，利用光誘導出的熱釋電電勢調制載流子的光電過程，從而提高光響應性能。此外，該自驅動光探測器的探測光譜范圍可以基于熱釋電光電子學效應而進一步擴大。相關研究成果以“Self-Powered Si/CdS Flexible Photodetector with Broadband Response from 325 to 1550 nm Based on Pyro-phototronic Effect: An Approach for Photosensing below Bandgap Energy”為題發表在近期的Advanced Materials雜志上（DOI: 10.1002/adma.201705893）。?

【圖文簡介】

圖1：柔性自驅動p-Si/n-CdS異質結光探測器的結構、表征以及工作機制

(a). p-Si/n-CdS異質結光探測器的結構示意圖；

(b). p-Si/n-CdS的形貌表征；

(c). 器件的能帶圖；

(d). 1060 nm激光照射下，器件在不同光功率密度下的I-V曲線；

(e). p-Si/n-CdS異質結在光亮與光暗時的熱釋電電荷與內建電勢的分布示意圖；

(f). 零偏壓下的I-t曲線；

(g). 熱釋電光電子學效應導致的四階段光響應行為及其對應的工作機制。

圖2：柔性自驅動p-Si/n-CdS異質結光探測器的寬譜響應

(a). 器件在零偏壓不同波長光照下對應的I-t曲線；

(b). 器件在不同波長光照下對應的工作機制；

(c). Si基底光響應測試的裝置圖；

(d). 2 V偏壓下，Si基底分別在暗場、325 nm和442 nm光照條件下對應的I-V曲線。

圖3：熱釋電光電子學效應

(a). 器件在不同光功率下對應的I-t曲線；

(b). 器件不同機制產生的光電流與光功率密度對應的關系；

(c). 器件不同機制下的響應度與光功率密度的對應關系；

(d). 器件的上升響應時間與下降響應時間與光功率密度的對應關系。

圖4：頻率和偏壓對熱釋電光電子學效應的影響

(a). 器件在不同頻率下的I-t曲線；

(b). 器件在不同頻率時對應的響應時間；

(c). 器件在不同偏壓下的I-t曲線；

(d). 器件在不同偏壓下的響應時間，以及光致熱釋電增強系數。

【小結】

研究者通過利用硫化鎘的熱釋電光電子學效應，不僅成功地擴寬了p-Si/n-CdS異質結光探測器的光譜響應范圍，而且提高了器件的光響應度和響應速度。這種Si/CdS自供電柔性光探測器件可與傳統集成電路技術相兼容，因此可以在各種環境中得到廣泛的應用，如可穿戴式傳感器、光熱檢測、超快光學、光通信和健康監測等方面；同時也為提升光電器件性能提供了一個全新的思路。

文獻鏈接：Powered Si/CdS Flexible Photodetector with Broadband Response from 325 to 1550 nm Based on Pyro-phototronic Effect: An Approach for Photosensing below Bandgap Energy (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201705893)

【團隊介紹】

王中林，中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士，佐治亞理工學院終身校董，Hightower終身講席教授，工學院杰出講席教授和納米結構表征中心主任。首位中組部“千人計劃”頂尖千人與團隊入選者，教育部長江學者講座教授。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長。王中林院士的開創性工作榮獲了多項國際榮譽：美國顯微鏡學會1999年巴頓獎章，2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料學會獎章（MRS Medal），2012年美國陶瓷學會Edward OrtonMemorial獎，2013 ACS Nano 講座獎，2014年美國物理學會James C. McGroddy 新材料獎，2013中華人民共和國國際科學技術合作獎，2014年佐治亞理工學院杰出教授終身成就獎，2014年NANOSMAT獎，2014年材料領域世界技術獎。王院士是美國物理學會fellow, 美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow, 美國陶瓷學會fellow，英國皇家化學學會fellow。2015年9月24日，湯森路透集團（THOMSONREUTERS）發布了2015年度引文桂冠獎（CitationLaureates）獲獎名單（諾貝爾獎風向標），王中林院士成為物理學領域獲獎人之一，也是該獎項唯一的華人獲獎者。2016年榮獲先進材料獎。

王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物。在一維氧化物納米結構制備、表征及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機，并提出了自充電納米結構系統，為微納電子系統的發展開辟了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1500篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40余篇），擁有200項專利，7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他的學術論文已被引用167000次以上，H因子(h-index)是202。Nano Energy的發刊主編和現任主編。

王中林院士個人成果網址：

http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php。

王中林院士研究組主頁：

http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/。

【團隊在該領域工作匯總】

團隊近期在“熱釋電光電子學效應”領域的工作如下：

1. Light-triggered pyroelectric nanogenerator based on a pn-junction for self-powered near infrared photosensing, ACS Nano, 2017, 11:8339.
2. Enhanced performance of a self-powered organic/inorganic photodetector by pyro-phototronic and piezo-phototronic effects, Advanced Materials, 2017, 29:1606698.
3. Ultrafast response p-Si/n-ZnO heterojunction ultraviolet detector based on pyro-phototronic effect, Advanced Materials, 2016, 28:6880.
4. Temperature dependence of pyro-phototronic effect on self-powered ZnO/perovskite heterostructured photodetectors, Nano Research, 2016, 9:3695.
5. Light-induced pyroelectric effect as an effective approach for ultrafast ultraviolet nanosensing, Nature Communications, 2015, 6:8401.

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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