北科大張躍&張錚Nano Energy : 壓電效應對超靈敏柔性光電探測器中混合維度范德華異質結構的界面電荷調控

【引言】

由于原子級的厚度、獨特的柵極可調性、優異的機械強度以及良好的光電性能，柵極調控范德華(vdWs)異質結性能已經在新型光電子學中具有較大的應用，如兩端FET、非易失性存儲器、光電探測器。這種柵極可調性對于vdWs異質結構器件是至關重要的，在硬質基底(如SiO₂/Si)上可通過外加靜電場來實現。然而，柔性器件加工復雜性，電極與材料之間彎曲滑移限制了這種調控方法在vdWs異質結柔性光電子器件中的潛在應用。因此，需要提出新的調控手段來實現范德華異質結柔性器件的柵壓調控。混合維度vdWs異質結可將不同維度的材料任意集成，使得不同材料的特性耦合來構筑高性能器件。此外，二維二硒化鎢(WSe₂)具有高達350 cm²·V^-1·S^-1的高載流子遷移率和超強的光-物質相互作用特性。上述特性使其成為用于構建范德華p-n異質結的良好p型半導體，并且有望在寬光譜光電探測器(PD)中得到應用。一維ZnO具有優異的壓電性能和高電子遷移率，可用于構建高性能的混合維度vdWs p-n異質結構。利用ZnO的壓電性能來調控范德華異質結界面的載流子傳輸是非常有前景的。

【成果簡介】

近日，北京科技大學張躍教授、張錚副教授(共同通訊作者)等提出一種獨特的應變控制方法來調控2D WSe₂-1D ZnO vdWs界面電荷，并通過調整WSe₂的電子態來調制其光敏性能，并在Nano Energy上發表了題為“Piezotronic Effect on Interfacial Charge Modulation in Mixed-dimensional Van der Waals Heterostructure for Ultrasensitive Flexible Photodetectors”的研究論文。隨著拉伸應變的增加，器件的光電流明顯增強，并且在白光照射下相應的光響應度達到394 mA·W^-1。其性能增強可歸因于ZnO納米帶極性表面上的應變誘導的壓電極化電荷，充當了“柵極”來調節WSe₂-ZnO vdWs界面處的光生載流子的局部傳輸。該工作提供了一種新的策略來實現vdWs界面和應變刺激之間的相互作用，拓寬了功能性vdWs異質結構在下一代光電探測或成像中的應用。

【圖文簡介】
圖1 WSe₂-ZnO的構筑及工作原理

a) 寡層WSe₂-ZnO納米帶柔性p-n光電探測器的制備過程示意圖；
b) 柔性光電探測器在拉伸應變下的光學圖像，內插為柔性光電探測器的結構，由寡層WSe₂、ZnO納米帶和電極組成；
c) 寡層WSe₂-ZnO納米帶柔性p-n光電探測器的工作原理示意圖。

圖2 WSe₂-ZnO vdWs異質結構的PL和SKPM表征

a) WSe₂-ZnO vdWs異質結構的PL圖像，內插為橙色矩形區域中PL圖像的局部放大，橙色虛線中為WSe₂-ZnO堆疊區域的PL圖像；
b) 從a圖內插中突出顯示的不同點獲得的PL光譜；
c) WSe₂/ZnO異質結區的SKPM圖像，其中白色虛線區域表示WSe₂，白點虛線區域表示ZnO；
d) 層狀WSe₂和ZnO納米帶之間的CPD值，其中從c中的紅線提取的數據值約為80 meV。

圖3 WSe₂-ZnO vdWs異質結構的電學和光響應性質

a) 柔性PET基底上的WSe₂-ZnO PD的示意圖；
b) 柔性WSe₂-ZnO二極管在0 %應變下的線性和對數刻度的電流-電壓曲線；
c) 在0 %應變、不同光照強度下，WSe₂-ZnO PD的I-V特性曲線；
d) WSe₂-ZnO異質結構中光伏效應的示意圖，藍色箭頭表示電子/空穴移動方向；
e) WSe₂-ZnO PD的光電流隨光照強度的變化；
f) WSe₂-ZnO PD的響應度隨光照強度的變化。

圖4 不同應變下WSe₂-ZnO異質結構的光致發光特性

a) WSe₂在不同應變條件下的光致發光光譜，正負百分比分別代表拉伸和壓縮應變；
b) 對于所示應變，在1.45-1.7 eV范圍內的光致發光光譜(暗線)，間接帶隙發射(I)、中性激子(A)和帶電激子(A^-)共振隨應變表現不同，藍線是對實驗結果的洛倫茲擬合，I、A^-和A組分以綠色、紅色、深紫紅色線分別顯示；
c) 由PL光譜確定的I、A-和A的光子能量隨應變的變化；
d) 壓縮應變調節光生電荷的示意圖；
e) 0 %應變調節光生電荷的示意圖；
f) 拉伸應變調節光生電荷的示意圖。

圖5 自驅動WSe₂-ZnO PD的壓電調控性能

a) 光照下、拉伸應變下，柔性WSe₂-ZnO PD的示意圖；
b) WSe₂-ZnO vdWs PD在不同應變下光響應隨時間的變化，在0 V偏壓下固定光密度為0.667 mW·cm^-2；
c) 柔性WSe₂-ZnO PD的短路電流ISC和R隨應變的變化；
d) 拉伸應變下WSe₂-ZnO異質結構的能帶調節示意圖；
e) 壓縮應變下WSe₂-ZnO異質結構的能帶調節示意圖。

圖6 WSe₂/ZnO PD在光導模式下的壓電調控性能

a) 固定光密度為0.667 mW·cm^-2，WSe₂-ZnO異質結在不同應變下的輸出特性曲線；
b) 施加1 V外部偏壓后，在不同應變下光電流隨光密度的變化；
c) 施加1 V外部偏壓后，在不同應變下響應度隨光密度的變化；
d) 施加1 V外部偏壓后，在不同應變下相對光電增益隨光密度的變化；
e) 在2.32 mW·cm^-2和5.21 mW·cm^-2的指定光密度下，檢測率隨應變的變化。

【小結】

綜上所述，作者利用壓電效應所帶來的應變調控構筑了高性能WSe₂-ZnO柔性光電探測器，系統地提出并證明了應變調控機理，其中應變誘導的壓電極化電荷能夠有效地調節WSe₂-ZnO vdWs異質界面處的電荷傳輸。 隨著拉伸應變的增加，光電探測器在自供電模式下的響應電流和光響應度明顯增強。在光導模式下，器件光電流從61 pA增加到320 pA，且光響應度從117 mA·W^-1增加到394 mA·W^-1。該工作為調控vdWs異質界面提供了一種應變工程策略，并為下一代柔性光電子學提供了重要參考。

文獻鏈接：Piezotronic Effect on Interfacial Charge Modulation in Mixed-dimensional Van der Waals Heterostructure for Ultrasensitive Flexible Photodetectors (Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.01.024)

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