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膠體量子點和二維材料異質(zhì)結(jié)光電探測器應(yīng)用綜述

MEMS ? 來源:MEMS ? 作者:MEMS ? 2024-05-19 09:11 ? 次閱讀

半導(dǎo)體膠體量子點(QD)具有基于溶液制造、大規(guī)模且低成本的合成工藝,其獨特的量子限域效應(yīng)可以實現(xiàn)從深紫外到中紅外(MIR)范圍內(nèi)的寬帶光探測,因此成為光敏材料中最具備前途的候選材料之一。但量子點中存在大量缺陷,這會導(dǎo)致電荷遷移率低,不利于載流子的分離和轉(zhuǎn)移,從而降低了基于量子點的器件性能。與之相反,二維材料(2D),如石墨烯、黑磷(BP)和過渡金屬二硫化物(TMD)在這一方面的優(yōu)點相對明顯,如厚度依賴性帶隙,高電荷載流子遷移率,優(yōu)異的機(jī)械靈活性和兼容性等。但是由于二維材料的超薄特性,電阻和缺陷的影響放大,導(dǎo)致基于二維材料的光電探測器噪聲較大、響應(yīng)慢。對于單純的基于2D材料的光電探測器而言,要同時實現(xiàn)超高響應(yīng)率和超快時間響應(yīng)是具有挑戰(zhàn)性的,而QD/2D材料異質(zhì)結(jié)可以結(jié)合這兩種類型材料的優(yōu)勢,開拓了一種全新的可能性,為光電探測器的性能和應(yīng)用領(lǐng)域開啟了嶄新的未來。

為了推動光電探測器向低成本、輕量化、高響應(yīng)和高性能發(fā)展,電子科技大學(xué)王志明教授、童鑫研究員團(tuán)隊綜述了近年來基于QD和2D材料異質(zhì)結(jié)在光電探測器領(lǐng)域中的應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Colloidal quantum dots and two-dimensional material heterostructures for photodetector applications”為題,發(fā)表于Electron期刊上。

這項研究主要討論了QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的獨特優(yōu)勢,并簡要介紹了基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)光電探測器的結(jié)構(gòu)分類、工作機(jī)制、材料制備方法和異質(zhì)結(jié)構(gòu)建方法。隨后還詳細(xì)討論了基于QD/不同2D材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器最新進(jìn)展及其在光電突觸、人工視覺系統(tǒng)和可穿戴醫(yī)療健康方面的創(chuàng)新性應(yīng)用。最后,簡要概述了該領(lǐng)域的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)。

器件的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示,光電探測器通常分為3種主要類型:光電導(dǎo)體(photoconductors)、光電晶體管(photodiodes)和光電二極管(phototransistors)。這3種基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器具有不同的結(jié)構(gòu)和不同的工作機(jī)制。通過了解這些區(qū)別,研究人員可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域選擇合適的結(jié)構(gòu)。

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圖1 (A)典型基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器的器件結(jié)構(gòu)示意圖及其能帶圖;(A)和(D)光導(dǎo)體;(B)和(E)光電二極管;(C)和(F)光電晶體管。

制造工藝

通過原位和非原位方法,可以將QD集成到2D材料上,形成異質(zhì)結(jié)。原位法是直接在二維材料表面生長量子點形成異質(zhì)結(jié),有利于QD與2D材料之間的電荷轉(zhuǎn)移。在非原位方法中,QD與2D材料的合成以及逐層組裝連接是獨立進(jìn)行的,這類方法的優(yōu)點是可以獨立優(yōu)化量子點或二維材料,并且可以構(gòu)建更清潔的界面。

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圖2 (A)在石墨烯上原位生長量子點的示意圖;(B)分布在石墨烯上的量子點的TEM圖像;(C)量子點在MXene納米片上直接生長示意圖;量子點的合成方法分為(D)自上而下的方法,(E)自下而上的方法;量子點與二維材料結(jié)合在制備方法有(F)自旋鍍膜、(G)滴鍍膜;(H)噴涂;(I)噴墨打印

基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器

QD/2D材料結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)已成為克服單個材料局限性和提高整體性能的有效策略。通過將QD與2D材料相結(jié)合,可以獲得以下幾個優(yōu)勢:第一,QD可以有效地吸收和利用光,彌補(bǔ)2D材料吸收光的不足。第二,異質(zhì)結(jié)中的2D材料可以提供界面和通道,從本質(zhì)上促進(jìn)電荷傳輸,解決量子點的低遷移率問題。第三,QD的可調(diào)諧吸收波長特性可以彌補(bǔ)某些2D材料的有限響應(yīng)帶,實現(xiàn)寬帶探測。

近年來,研究人員已經(jīng)認(rèn)識到QD/2D材料異質(zhì)結(jié)在光電探測器應(yīng)用中的潛力和優(yōu)勢,并積極探索和開發(fā)這種異質(zhì)結(jié)。從QD/2D材料的選擇到優(yōu)化,包括尺寸控制、配體交換、摻雜和帶隙工程等,基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的量子點可以實現(xiàn)從可見光到短波紅外(SWIR)的光響應(yīng),具有微秒級的響應(yīng)速度和優(yōu)異的室溫穩(wěn)定性。通過總結(jié)近幾年來的工作,這項研究綜述了基于QD/2D材料(主要包括石墨烯、過渡金屬硫化物和黑磷)結(jié)合的異質(zhì)結(jié)的光探測技術(shù)。

(1)基于QD/石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測器

石墨烯由于其超寬光譜范圍(紫外到太赫茲)、高載流子遷移率、導(dǎo)電性和熱、化學(xué)穩(wěn)定性,被認(rèn)為是光探測應(yīng)用中最廣泛研究和最受青睞的二維材料之一。然而,厚度為0.335 nm的單層石墨烯僅吸收了2.3%的可見光至紅外波段的入射光,這一水平不足以進(jìn)行光檢測。使用具有優(yōu)異光吸收特性的QD與石墨烯結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)是一種廣泛使用的用于提高光吸收效率的策略。根據(jù)響應(yīng)光譜范圍,基于QD/石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測器通常分為紫外、可見光和紅外光響應(yīng)光電探測器。利用摻雜、表面處理、能帶工程、界面工程等方法可以優(yōu)化QD和石墨烯,改善QD與石墨烯之間的電荷轉(zhuǎn)移,提高基于QD/石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測器性能。此外,當(dāng)溫度低至80 K時,基于PbS QD/石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測器性能夠得到提升。

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圖3 基于QD/石墨烯異質(zhì)結(jié)的紫外和可見光電探測器示例

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圖4基于QD/石墨烯異質(zhì)結(jié)的紅外電探測器示例

(2)基于QD/TMD異質(zhì)結(jié)的光電探測器

除石墨烯外,具有優(yōu)異光電性能和高遷移率的TMD也被廣泛用于光電探測器的制造。與零帶隙的石墨烯不同,2D TMD具有可調(diào)諧的帶隙,并且易于與其他材料結(jié)合構(gòu)建異質(zhì)結(jié)。據(jù)報道厚度超過1 nm的單層MoS?、MoSe?和WS?可以吸收5%-10%的入射陽光,這為TMD材料在光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能性。然而,大多數(shù)TMD材料僅適用于可見光范圍內(nèi)的應(yīng)用。為了克服這一限制,人們經(jīng)常在TMD上集成QD來構(gòu)建異質(zhì)結(jié),不僅擴(kuò)寬了器件的光響應(yīng)范圍,而且提高了光電探測器的性能。

此外,人們通過巧妙設(shè)計光電探測器的結(jié)構(gòu),以及采用不同的策略優(yōu)化了QD和TMD,探究其對光電探測器的影響。例如,將Al?O?層沉積到電極上,阻止了載流子直接從量子點層轉(zhuǎn)移到電極上,降低器件暗電流,有利于提高器件的響應(yīng)度。利用能帶工程構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)QD,探究不同的殼材料對光電探測器性能的影響。此外,TMD的厚度對基于QD/TMD異質(zhì)結(jié)光電探測器的性能會產(chǎn)生影響。甚至基于QD與雜化TMD材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器中會產(chǎn)生不同于單一2D材料的電荷傳輸路線,這為進(jìn)一步優(yōu)化光電探測器帶來了新的可能性。

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圖5 (A-I)基于QD/MoS?材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器示例;(J-L)探究基于相同QD的MoS?和WS?材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器示例

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圖6 (A-D)基于p型摻雜的QD/WS?材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器示例;(E-H)基于QD/WSe?-WS?材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器示例

(3)基于QD/BP異質(zhì)結(jié)的光電探測器

黑磷(BP)具有高載流子遷移率和0.4 eV-2.0 eV的可調(diào)帶隙,是有望替代石墨烯的一種有前景的光電探測器的二維材料。然而,BP因其在室溫條件下的不穩(wěn)定特性,使得它的光生載流子快速重組,并且其超薄厚度會導(dǎo)致吸光能力有限,最終,基于BP的光電探測器的整體性能低。為了克服這些缺陷,將QD與BP集成在一起構(gòu)建異質(zhì)結(jié)可以顯著提高BP基的光電探測器的性能。此外,采用表面處理的方法有效地解決BP不穩(wěn)定性問題,同時,QD的表面配體也會被更短的分子取代,這有利于QD和BP之間的電荷轉(zhuǎn)移,進(jìn)一步提高基于QD/BP異質(zhì)結(jié)的光電探測器的性能。

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圖7 基于QD/BP異質(zhì)結(jié)的光電探測器示例

(4)基于QD/其他二維材料的異質(zhì)結(jié)的光電探測器

除了傳統(tǒng)的二維石墨烯、TMD和BP材料的研究外,一些新的二維材料也已經(jīng)被開發(fā)用于通過集成QD層來建立異質(zhì)結(jié)用于制造光電探測器。二維Bi?O?Se具有高載流子遷移率和優(yōu)異的室溫穩(wěn)定性,在可見光譜中具有優(yōu)異的響應(yīng)度和探測率使其成為優(yōu)秀的光電探測器電荷傳輸材料的候選材料之一。然而, Bi?O?Se在近紅外區(qū)域的光吸收較弱,為了克服這個問題,利用具有近紅外響應(yīng)的QD修飾2D Bi?O?Se,可以實現(xiàn)SWIR的光電探測。

此外,與傳統(tǒng)的二維層狀材料相比,人們對開發(fā)具有獨特特性的二維非層狀材料也越來越感興趣,例如二維非層狀硫化硒化鎘(CdS?Se???),它在整個可見光譜范圍內(nèi)具有出色的光學(xué)特性和可調(diào)的帶隙特性。這使其成為制造高性能光電探測器的一種非常有前途的材料。將全無機(jī)CsPbBr?鈣鈦礦量子點和2D非層狀CdS?Se???組成異質(zhì)結(jié)應(yīng)用在光電探測器上,形成內(nèi)置電場,有效地實現(xiàn)了載流子分離,延長了載流子壽命,從而提高了復(fù)合光電探測器的性能。

基于異質(zhì)結(jié)的QD/2D材料創(chuàng)新性應(yīng)用

在基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器領(lǐng)域,研究者們不斷創(chuàng)新和突破,通過攻克困難,進(jìn)一步擴(kuò)展基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器領(lǐng)域,提升其性能和實現(xiàn)多樣化功能。基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器已經(jīng)在可穿戴醫(yī)療保健、生物突觸功能和人工視覺系統(tǒng)方面取得了突破性進(jìn)展。

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圖8 (A-D)基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器模擬生物突觸功能示例;(E-G)基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的光電突觸型探測器模擬人工視覺系統(tǒng)示例;(H-I)基于QD/石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測器應(yīng)用在可穿戴纖維示例

總結(jié)與展望

具有優(yōu)異光電特性的QD與2D材料(主要是石墨烯、TMD和BP)納米異質(zhì)結(jié)在先進(jìn)的光電器件中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。QD具有出色的寬光譜吸收特性,并且2D材料可以提供具有高載流子遷移率的界面和通道。QD/2D材料異質(zhì)結(jié)結(jié)合了QD和2D材料的優(yōu)點,為開發(fā)具有寬光譜、高性能的復(fù)合光電探測器提供了良好的前景。雖然基于QD/2D材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器已經(jīng)取得了顯著的成就,但仍有一些關(guān)鍵的挑戰(zhàn)需要克服。相信通過開發(fā)新材料和優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)有利于光電探測器實現(xiàn)超高增益、從紫外到紅外波段的高響應(yīng)度和高探測率。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1002/elt2.30


審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:綜述:膠體量子點和二維材料異質(zhì)結(jié)光電探測器應(yīng)用

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