AFM內頁封底論文：基于黑磷納米片的自供電光探測器構筑與性能

【引言】

光探測器是一種能夠將光信號轉換為電信號的裝置，其在諸多領域都有著廣泛的應用。在半導體光電子領域，二維過渡族金屬硫族化合物因其獨特的層狀結構以及光電性質而被用于光電探測器的研究。然而，較低的電輸運性能以及有限的能帶變化范圍極大的限制了其在光電探測領域的實際應用。

近日，黑磷作為一種半導體性的范德華層狀材料展現出高的載流子遷移率、各向異性的光電特性、可調控的直接帶隙以及高的開關比，因此被人們認為是制造光探測器的理想材料之一。同時，研究表明減小層狀材料的厚度能夠有效提高材料的電輸運性能，改善能帶結構并有利于提升材料的光探測能力，所以少層黑磷納米片在光電領域具有極大的應用價值。盡管如此，黑磷納米片暴露在空氣中時會不可避免地遭受氧化損害，這極大地阻礙了其應用開發。為此，將黑磷納米片運用在光探測領域同時保證其穩定性對高性能光探測器的發展具有重要意義。

【成果簡介】

近日，湘潭大學鐘建新教授團隊的祁祥（通訊作者）副教授課題組和深圳市黑磷光電技術工程實驗室主任深圳大學張晗（通訊作者）教授課題組近期在Advanced Functional Materials上發表了題為“Environmentally Robust Black Phosphorus Nanosheets in Solution: Application for Self-Powered Photodetector”的內封底文章。

該團隊選用KOH作為電解質，在溶液的環境下測試了液相剝離制備的少層黑磷納米片的自供電光探測性能以及其穩定性。研究發現，黑磷納米片在KOH電解液中的光電流能達到265?nA/cm²，一周之后其光電流大小仍有103 nA/cm²。結果表明，黑磷納米片在KOH電解液中具有優異的光探測能力以及良好的穩定性。不僅如此，通過對KOH電解液的濃度和偏壓進行調控，有效的提升了黑磷納米片的光探測性能。本工作不僅得到了黑磷納米片光探測性能和電解液濃度的關系，還說明黑磷納米片作為低功耗光探測器件中具有良好的性能與潛力。

該研究得到了深圳市黑磷光電技術工程實驗室，國家自然科學基金重大及重點項目，深圳市重點科技項目等多項基金的支持。

【圖文導讀】

圖1：二維黑磷納米片液相剝離的制備示意圖以及形貌結構表征

(a) 液相剝離制備少層黑磷納米片的流程示意圖；

(b-c) SEM以及EDS分析；

(d) TEM分析；

(e) HRTEM圖；

(f) 對應的衍射花樣；

(g) 黑磷納米片在NMP溶液中的紫外可見光譜表征；

(h) 塊狀黑磷和黑磷納米片的拉曼光譜分析；

(i) 黑磷納米片的光致發光譜。

圖2：基于黑磷納米片光探測器的性能研究

測試黑磷納米片在0.1 M KOH電解液中光探測性能：

(a) 線性伏安特性曲線；

(b)?不同光強度下的光響應能力；

(c)?不同光強下光電流和光轉換效率的分析；

(d)?不同波長光源(360 nm, 405 nm, 436 nm and 546 nm)照射下的伏安特性曲線；

(e) 自供電光探測性能；

(f)?在0.3 V和0.6 V偏壓下的光探測性能。

圖3：黑磷納米片在堿性KOH溶液中的穩定性

(a) 循環穩定性測試；

(b)?長時間自供電黑磷納米片光探測器穩定性測試；

(c)?黑磷納米片光探測器的在1小時、1天、1周以及1個月后的光響應特征分析。

圖4：不同KOH濃度下的黑磷納米片自供電光探測器性能分析

(a) 不同KOH電解液濃度中的光響應測試；

(b)?擬合光響應曲線得到響應時間常數；

(c)?不同電解液濃度中黑磷納米片的交流阻抗測試。

【小結】

該工作利用液相剝離的方法得到了少層黑磷納米片并將其用于構建自供電光探測器的電極。通過光響應測試，時間循環穩定性測試以及顯微拉曼表征發現在KOH電解液的環境下，二維黑磷納米片不僅具有優異的光響應性能還具有良好的穩定性。進一步實驗結果表明，通過改變KOH的濃度能夠有效調控黑磷納米片的光探測性能，從而提供一種得到優異光探測性能以及高穩定黑磷納米片光探測器的方法。

文章鏈接：Environmentally Robust Black Phosphorus Nanosheets in Solution: Application for Self‐Powered Photodetector (Adv. Funct. Mater.,?2017,27,1606834 DOI:10.1002/adfm.201606834) ?

本文由材料牛編輯風之翼整理。

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