鄭州大學史志鋒等人Mater. Horiz.：基于銅基鹵化物納米線的偏振敏感型柔性紫外光電探測器

【引言】

偏振是光的基本屬性之一，任何目標在反射和發射電磁輻射的過程中都會表現出由它們自身特征（例如粗糙度、空隙度、含水量、構成材料的理化特性等）和光學基本定律（例如菲涅耳公式）所決定的偏振特性。對偏振光的探測可以把信息量從三維（光強、光譜和空間）擴充到七維（光強、光譜、空間、偏振度、偏振方位角、偏振橢率和旋轉的方向）。近年來，隨著軍事和民用領域（如遙感成像、光通信、醫療檢測、導航和光學雷達等）對高性能光電探測器的重大需求，使得研發高偏振敏感的光電探測器顯得尤為迫切，并呈現出向著小型化、模塊化的高度集成器件方向發展。作為一種特殊的光電器件，偏振光探測器的制備對工作介質有很高的要求，除了優良的光吸收能力外，還包括材料本身的形態和不對稱的晶體結構等，上述特性使得材料能夠展現出各向異性的光響應能力。目前，已報道的偏振光探測器大多是基于低維半導體材料制備的，其在結構上的明顯各向異性非常適合用于偏振光探測器的工作介質。其中，二維材料又是一類很具代表性的低維半導體，如黑磷、鍺烯、銻烯、GaTe，PdSe₂和GeAs等，并在超薄器件、柔性和可穿戴設備等領域展現出優勢。然而，上述材料的空氣穩定性較差、合成工藝復雜，且器件制備時通常需要濕法轉移技術進行輔助。此外，目前已報道的偏振光探測器更多工作在可見光和近紅外光波段，而針對紫外光區域的偏振敏感型光電探測器報道相對較少。

【成果簡介】

近日，鄭州大學物理學院史志鋒副教授、李新建教授和復旦大學方曉生教授采用改良的反溶劑結晶方法成功合成出高質量、尺寸可調的三元銅基鹵化物CsCu₂I₃納米線。該材料為直接帶隙半導體，其禁帶寬度高達~3.73 eV，是制備紫外光電探測器的理想候選材料。利用其各向異性晶體結構和外部一維形態特征實現了具有高線性偏振靈敏度的紫外光電探測，所獲得的偏振響應靈敏度為~3.16。此外，該器件展現出高達32.3 A/W的光響應度，比探測率為1.89×10¹² Jones以及6.94/214 μs的快速光響應。進一步，通過將器件移植到柔性基板上，在重復彎曲1000次之后，該探測器幾乎沒有光電流衰減，展現出良好的彎曲耐久性和工作穩定性。上述研究成果為設計和制備高效穩定的偏振敏感型紫外光探測器提供了新的方案。相關研究成果以“Solution-Processed One-Dimensional CsCu₂I₃ Nanowires for Polarization-Sensitive and Flexible Ultraviolet Photodetectors”最近發表在Materials Horizons上。

【圖文導讀】

圖一：CsCu₂I₃納米線的合成示意圖及其形貌、結構特征

（a）CsCu₂I₃納米線的合成示意圖；

（b）單根納米線的SEM圖像和EDS元素分布；

（c）單根納米線的AFM圖像；

（d?g）CsCu₂I₃納米線的TEM圖像、HRTEM圖像及SAED圖像。

圖二：CsCu₂I₃納米線的結晶及偏振光學特性表征

（a）CsCu₂I₃納米線的XRD譜；

（b）CsCu₂I₃納米線的晶體結構示意圖；

（c）穩態PL和光吸收譜；

（d?f）偏振PL測試的示意圖及相應的結果。

圖三：CsCu₂I₃納米線光電探測器的性能分析

（a）基于單根CsCu₂I₃納米線的光電探測器的示意圖；

（b）光電探測器的光譜響應曲線；

（c，d）不同光照射強度下器件的光電流-電壓曲線和光電流-時間曲線；

（e）器件的光響應度、比探測率與光激發功率之間的關系；

（f）在266 nm脈沖激光激發下的響應曲線；

（g）連續On/off工作1000個周期，評估器件的穩定性和重復性，On/off持續時間均為1 s。

圖四：CsCu₂I₃納米線光電探測器的柔性展示

（a）器件在不同彎曲角度下暗電流和光電流的實時監測；

（b，c）在彎曲不同周期下器件的光電流-電壓曲線和光電流-時間曲線對比。

圖五：CsCu₂I₃納米線光電探測器的各向異性響應

（a）偏振敏感的光電探測器示意圖；

（b）在光激發下光電流的各向異性響應（光電流大小由色條表示，電壓為x軸，偏振角為y軸）；

（c?e）不同直徑（600 nm、6.0 μm）CsCu₂I₃納米線光電流的偏振依賴性。

【小結】

研究人員利用改良的反溶劑結晶方法成功制備出了高質量且尺寸可控的一維CsCu₂I₃納米線，該材料的直接寬帶隙特征使得其對紫外光有出色的響應能力。通過偏振PL譜測試，研究人員首先證實了CsCu₂I₃納米線的光學各向異性，這是由其不對稱結構的固有各向異性和外部形貌各向異性共同引起的。利用CsCu₂I₃納米線的上述特征，研究人員構筑了金屬-半導體-金屬結構的光電探測器，實現了約3.16的光電流各向異性比。此外，該探測器的光響應度高達32.3 A/W、比探測率為1.89×10¹² Jones、光響應速度為6.94/214 μs，明顯優于傳統的紫外光探測器報道。上述器件制備策略也可在柔性襯底上實現，從而為柔性可穿戴電子器件及其集成應用提供了可能的制備方案。

文獻鏈接：Solution-Processed One-Dimensional CsCu₂I₃ Nanowires for Polarization-Sensitive and Flexible Ultraviolet Photodetectors. Mater. Horiz., 2020, DOI: 10.1039/D0MH00250J.