王中林院士&王兆娜 Adv. Funct. Mater.:綜合熱釋電光電子學效應增強的ZnO / Ag肖特基結紫外探測器

【背景介紹】

? ? ? ? 寬帶隙半導體紫外光探測器具有結構簡單、易于小型化、集成化、對輻射和惡劣環境具有良好的穩定性等優點，在軍事偵測、環境監測、火焰升溫、生命科學和航天等領域具有很大的應用前景。作為典型的寬帶隙材料，氧化鋅（ZnO）具有大的激子結合能（≈ 60 meV）、小的電子和空穴碰撞電離系數、環境友好、化學性能穩定和輻射閾值高等特點，是實現高信噪比的室溫紫外光（UV）探測器的理想材料。尤其是隨著自供能電子設備在可穿戴電子、智能傳感器、柔性光電子等領域日益增長的需求發展，大量自供能的 ZnO 基光電探測器（PDs）通過利用肖特基結和 p-n 結的光伏效應被成功設計和制備出來。其中，基于金屬/半導體接觸的肖特基結光電探測器具有成本低、制造簡單和響應速度快等優點，是實現快速響應光電二極管的一種重要途徑。但由于肖特基結中較弱的內建電場使得這種自供能 PDs 光響應度較低，阻礙了其廣泛地應用。因此，尋找一種能夠有效改善自供能肖特基 PDs 性能的方法顯得十分必要。
? ? ? ? ?最近，通過耦合纖鋅礦 ZnO 的熱釋電效應、光激發和半導體特性，研究者們提出熱釋電光電子學效應并用來改善 ZnO 基 PDs 的光電響應性能。在紫外光照射 ZnO 納米線（NWs）時，光誘導的熱釋電極化電荷可以有效地調節 p-n 結內載流子的產生、分離、傳輸和復合過程，從而使自供能 PDs? 的光電響應性能從 UV 到近紅外波段都有顯著的提高。通過利用熱釋電光電子效應，基于 p-n 異質結結構實現的 UV PDs 展示出較快的響應速度和較高的靈敏度。然而，通常的熱釋電效應包含初級熱釋電效應和次級釋熱電效應，而且綜合熱釋電效應受夾持狀態的影響很大。當樣品經受較強的應力夾持時（例如硬質基板），熱釋電效應主要表現為初級熱釋電效應。當樣品經受較弱的應力夾持（例如軟基板）時，次級熱釋電效應不能忽略。因此，研究綜合熱釋電效應對柔性基板上肖特基結 PDs 輸出電流的調制機制是十分重要的。

【成果簡介】

? ? ? ? 最近，北京師范大學的王瑩碩士和北京納米能源與系統研究所的朱來攀博士（共同第一作者）在美國佐治亞理工學院的王中林院士和北京師范大學的王兆娜教授的共同指導下報道了一種利用綜合的熱釋電光電子學效應來設計和制造 ZnO /Ag 肖特基結的自供電柔性 UV PDs。通過利用初級熱釋電效應使得自供能的 PDs 在 325 nm 光照射下的最大瞬態光響應度可以達到 1.25 mA W^-1，比穩態響應提高 1465 ％。相對持久的二次熱釋電效應削弱了肖特基勢壘的高度，并導致穩態光電流隨著光功率密度的增加而減小。當功率密度足夠大時，穩態光電流變為反向。基于熱釋電電勢的能帶調控作用，研究者們揭示了綜合熱釋電光電子學效應對瞬態和穩態光電流的相應調制機制。研究結果有利于進一步闡明熱釋電光電子學效應對器件光電流的影響機制，并為進一步優化自供能 PD 性能提供了一種潛在方法。研究成果以題為“Comprehensive Pyro-Phototronic Effect Enhanced Ultraviolet Detector with ZnO / Ag Schottky Junction”發布在國際著名期刊?Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、基于熱釋電光電子學效應增強的自供能ZnO / Ag肖特基結 PD 的設計
（a） 自供電 ZnO / Ag肖特基結 PD 的結構示意圖；

（b） ZnO NWs陣列的SEM圖像的側視圖；

（c） ZnO NWs陣列的SEM圖像的頂視圖；

（d） 玻璃基底上 ZnO NWs 的XRD光譜；

（e） ZnO NWs 層的吸收光譜；

（f） 基于熱釋電光電子學效應的 PD 在不同功率密度 325 nm 激光照射下的I-V特性；

（g） 系統的闡明熱釋電光電子學效應對整個斬波周期紫外光照射時PD瞬態電流的影響。

圖二、熱釋電光電子學效應增強的自供電ZnO / Ag肖特基結 PD 性能
（a）325 nm，功率密度從1.22 × 10^-5至7.48 × 10-4 W cm^-2紫外光照射下 PD 的 I-t 特性；

（b）瞬態短路電流?I_{pyro + photo}和穩態電流?I_photo與功率密度的關系

（c）相應的光響應度?R_{pyro + photo}和?R_photo與功率密度的關系。

圖三、基于熱釋電光電子學效應的ZnO/Ag肖特基結PD的時間響應特性
（a） 由熱釋電光電子學效應引起的自供電 PD 的瞬態光電流響應示意圖；

（b） 在1.22×10^-5?到 7.48×10^-4 W cm^-2?的功率密度下，自供能 PD 的衰減時間常數；

（c） 在1.22×10^-5?到 7.48×10^-4 W cm^-2?的功率密度下，自供電 PD 的熱釋電極化電荷 Q_pyro以及相應的響應時間，包括上升時間和下降時間。

圖四、熱釋電光電子學效應增強的ZnO / Ag肖特基結 PD 的動態特性
（a）在波長為325 nm，功率密度從1.22×10^-5?至 7.48×10^-4 W cm^-2?紫外光照射下，柔性自供能 PD 的I-t 動態響應特性；

（b）圖a中區域 I，II，III和IV的放大圖。

圖五、次級熱釋電光電子學效應對穩態電流的影響
（a） 在暗態條件下，柔性自供能 ZnO / Ag 肖特基結 PD 的能帶圖；

（b） 在弱照射條件下，柔性自供電 ZnO / Ag 肖特基結 PD 的能帶圖；

（c） 在強照射條件下，柔性自供電 ZnO / Ag 肖特基結 PD 的能帶圖；

（d） 在照射關閉條件下，柔性自供電 ZnO / Ag 肖特基結 PD 的能帶圖。

【總結】

? ? ? ? 基于ZnO / Ag肖特基結構，成功設計并實現了熱釋電光電子學效應增強的柔性自供能 PDs，分別展示了初級熱釋電光電子學效應對瞬態以及次級熱釋電光電子學效應對穩態光電流的調制作用。尤其是，光輻照在纖鋅礦 ZnO 內部可以通過熱應變效應誘導產生相對穩定的極化電勢（類似于壓電效應），從而對肖特基勢壘高度產生調控作用，導致光生載流子的傳輸性質在肖特基結區被調制，即為次級熱釋電光電子學效應。這種新機制對自供能光電器件的設計與優化具有重要的理論意義和應用價值。同時，這種調制方法很容易擴展到基于其它熱釋電半導體材料實現的光電器件中，從而拓寬了其應用領域。而且，基于 ZnO / Ag 肖特基結的自供能 PD 具有易于實現、調控靈活、光響應特性優良的特點。利用熱釋電光電子學效應，PDs 在功率密度為 4.98×10^-4 W cm^-2? 的 325 nm 紫外光照射下的光電流的最大增強因子為 ≈ 10156 ％，探測能力和響應度都有 8371 ％提高。 這項工作為利用熱釋電光電子學效應來提高或者優化肖特基結的 PDs 提供了一種有效的方法。同時在超快光電傳感、智能傳感器和可穿戴電子設備等領域具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Comprehensive Pyro-Phototronic Effect Enhanced?Ultraviolet Detector with ZnO/Ag Schottky Junction（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201807111）

通訊作者簡介

王中林博士：中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士。現為佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長兼首席科學家。已在國際一流刊物上發表了超過 1300 篇期刊論文（其中 31 篇發表在 Science、Nature及Nature 子刊上），6本科學專著，超過 200 項專利。他已被邀請做過 850 多次學術講演和大會特邀報告。2015 年湯森路透引文桂冠獎獲得者。王中林博士的研究具有原創性，前瞻性和引領性。他在電子顯微學和納米科學方面有多項國際重要影響力的原創性和開創性研究成果，其中包括反射電子能量損失譜，等離子體激發，電子的非彈性散射理論，透射顯微鏡中納米材料的力學和電學性能的原位測量技術，納米氧化鋅的生長和控制，納米發電機，壓電電子學，壓電光電子學，納米傳感等。

王兆娜博士： 2007 年于北京師范大學獲得博士學位，畢業后一直在北京師范大學工作，現為教授，博士生導師。2013 年獲得北京市“青年英才計劃”支持。近五年來，王兆娜博士主要從事微納信息光學方面的研究工作，在隨機激光和光電子學方面取得了一系列突出研究成果。先后主持國家自然科學基金青年項目和面上項目各一項，已經在 Nature Commun., Adv. Mater., ACS Nano和Adv. Funct. Mater. 等國際知名期刊上發表 SCI 論文 59 篇。尤其是在熱釋電光電子學效應對光電器件的調控研究方面做出了一些原創性工作，提出了熱釋電光電子學效應，設計并實現了真空下可快速響應的氧化鋅基紫外光探測器，已在該領域發表了 Nature Commun. 6:8401(2015)；Adv. Mater. 28(32):6880-6886 (2016)； Nano energy 54:429-436 (2018)；Adv. Funct. Mater. 2018, 1807111 等高質量論文。

本文由材料人的小胖紙編譯，材料人整理。

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