英文原題：Efficient Carrier Multiplication in Self-powered Near-ultraviolet γ-InSe/graphene Heterostructure Photodetector with External Quantum Efficiency Exceeding 161%

通訊作者：劉新風（國家納米科學中心）；徐海陽、劉為振（東北師范大學）

作者：Yuanzheng Li (李遠征), Jiayu Pan (潘佳鈺), Chuxin Yan (閆楚欣), Jixiu Li (李濟修), Wei Xin (辛巍), Yutong Zhang (張語童), Weizhen Liu (劉為振), Xinfeng Liu (劉新風), Haiyang Xu (徐海陽), and Yichun Liu (劉益春)

近年來，隨著紫外（UV）光在醫療、軍事、通信等關鍵領域內的廣泛應用，對高性能、高集成度、低功耗的紫外光探測器的需求呈現出持續增長的態勢。傳統三維半導體基紫外光電探測器在集成度和柔性等方面遭遇的瓶頸，愈發凸顯出低維半導體材料在光電探測領域中的應用潛力。二維層狀材料因其無懸掛鍵的表面和優異的光電性能，為開發高度集成和性能優異的紫外光電探測器提供了理想平臺。更重要的是，載流子倍增效應（Carrier multiplication，CM）即一個入射高能光子可以產生兩個甚至多個電子-空穴對的過程，在二維強限域體系中展現出低閾值和高轉換效率的特點，為構建具有超高響應度的自驅動紫外光電探測器帶來了巨大可能性。特別是石墨烯（Gr），以其獨特的零帶隙特征，能夠顯著增強CM過程。然而，其有限的光吸收能力使Gr基光電探測器無法有效利用CM提升器件外量子效率（External quantum efficiency，EQE）。雖可添加光吸收層增強Gr對光的吸收，但如何將光吸收層中產生的高能載流子高效轉移至Gr，而有效避免高能載流子的熱弛豫過程，仍是一個亟待解決的重要挑戰。

圖1.（a）γ-InSe/Gr探測器中有效實現CM和（b）本工作設計思路示意圖。

近日，東北師范大學徐海陽教授團隊和國家納米科學中心劉新風研究團隊在Nano Letters 上發表利用高效CM實現自驅動紫外γ-InSe/Gr光電探測器EQE超過161%的研究工作。基本的設計思想為選取γ-InSe作為紫外光吸收層與Gr構建異質結，利用Gr與γ-InSe準歐姆接觸的特性，構建單側肖特基結的器件結構（Au/γ-InSe/Gr），引入強的內建電場實現γ-InSe中高能載流子有效轉移至Gr中，進而獲得高效的CM過程（圖1b）。

圖2. γ-InSe/Gr探測器自驅動性能與紫外探測性能

通過變光功率密度I-V測試以及短路電流與光功率密度的冪律擬合（圖2a-c），證實該探測器展現出了優異的自驅動性能，并且具備高效的光生載流子分離能力。其高達0.57 V的開路電壓，充分證明了內部構建了強大的內建電場。相較于沒有內建電場的Gr/γ-InSe/Gr探測器，該探測器在短波長，尤其是紫外光波段，展現出的增強光電流（圖2d）。特別是在360 nm波長的激發下，γ-InSe/Gr器件展現出了高達468 mA/W的超高響應率和161.2%的EQE（圖2f）。通過零偏壓下的光電流掃描圖證實了“理想紫外光吸收層”與“強內建電場”協同完成CM效應的工作機理（圖3a）。在紫外光照射下，內建電場可以有效地分離耗盡區產生的高能電子-空穴對，隨后驅動高能電子向Gr轉移，進而實現高效的CM過程（圖3b）。隨著光照位置遠離肖特基結界面區域（即遠離耗盡區域，區域2），相應的內建電場逐漸減弱，甚至可能完全消失。此時，即使在相同的紫外吸收下，光生的高能電子-空穴對卻無法有效分離并轉移到Gr，從而大大限制了CM過程（圖3c）。時間分辨熒光光譜、激發光功率與短路電流冪律擬合（α>1）以及隨激發光子能量線性增加的內量子效率等結果實驗驗證了高能載流子的有效分離、轉移以及CM過程。

圖3. γ-InSe/Gr探測器協同效應實現CM的工作機制及驗證

總結展望

本文研究團隊成功構建了一種自驅動紫外γ-InSe/Gr光電探測器，不僅實現了高效的載流子倍增（CM）效應，而且在360 nm的光照下，獲得了468 mA/W超高響應度和創紀錄的161%外量子效率。該工作為構建新一代高性能、低功耗的紫外光電探測器提供了新的思路和一種可行的方案。

相關論文發表在Nano Letters 上，東北師范大學李遠征副教授為文章的第一作者，東北師范大學徐海陽教授、劉為振教授、國家納米科學中心劉新風研究員為共同通訊作者。

通訊作者信息

徐海陽 東北師范大學

徐海陽，教授，博士生導師。2006年于中科院長春光學精密機械與物理研究所獲博士學位，現工作于東北師范大學物理學院。國家杰出青年科學基金、優秀青年科學基金獲得者。主要從事氧化物半導體信息功能材料與器件研究，近年來在憶阻材料與新型信息器件、發光材料與發光物理等方面取得系列研究進展；相關成果獲2015年度和2019年度國家自然科學獎二等獎（排名第2和第3位）。

劉新風 國家納米科學中心

劉新風，研究員，課題組長，博士生導師。國家杰出青年科學基金、青年拔尖人才獲得者。研究方向為微區超快光譜及應用，近年來在Science, Nat. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Nano Lett.等學術期刊上發表研究論文260余篇，引用超過2萬次，H因子73。并擔任Nat. Nanotech., Nat. Commun., Sci. Adv., Nano Lett., JACS等國際學術期刊審稿人。

劉為振 東北師范大學

劉為振，教授，博士生導師，教育部國家重大人才工程青年學者，吉林省高層次人才。2014年于東北師范大學獲得理學博士學位，主要從事低維光電半導體材料與器件物理研究，面向國家重大戰略需求，在寬禁帶氧化物半導體材料與器件、新型層狀半導體材料合成與物性研究等領域開展了系列創新性研究工作，相關結果以第一/通訊作者發表于Nano Letters、Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews等SCI檢索期刊40余篇，SCI他引1300余次，H因子26。

（本稿件來自ACS Publications）

論文原文：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01238