中大新聞網訊（通訊員林銳娜）近期，中山大學電子與信息工程學院（微電子學院）、光電材料與技術國家重點實驗室、廣東省顯示材料與技術重點實驗室的劉飛教授與鄧少芝教授團隊使用常壓化學氣相沉積法（atmospheric pressure chemical vapor deposition，APCVD）制備了高質量的單晶CsPbBr3微米方片，并利用近藤拓撲絕緣體SmB6納米帶和金屬Au電極構建了非對稱型的Au/CsPbBr3/SmB6器件結構。研究結果表明該非對稱型器件不僅具有高的光電流、響應度和比探測率特性，還表現出優異的自驅動光探測特性，有望在光通信、工業自動化和環境監測等領域實現應用。該研究成果以“Advanced Self-powered Visible-light Photodetector Based on Asymmetric Au/CsPbBr3/SmB6 Junction”為題發表在Journal of Materials Chemistry C。論文第一作者為中山大學博士生劉再冉，通訊作者為劉飛教授和鄧少芝教授。
研究背景及挑戰
鈣鈦礦材料具有較強的可見光吸收、較長的載流子擴散長度、較大的載流子遷移率以及可調節的帶隙等優點，受到了國內外研究者的普遍關注。然而，CsPbBr3在光電探測器應用過程中經常會出現暗電流較高、響應速度較慢和響應度較低等問題。研究者通常使用制作異質結、同質結、場效應晶體管和構建表面等離激元結構等方法提高CsPbBr3光電探測器的性能，但是這些方法通常受到材料類型、摻雜工藝、精確的層數控制和復雜的制備工藝等多種因素的限制。因此如何制造兼具快響應速度、高響應度且與平面工藝良好兼容的CsPbBr3光電探測器一直是一個巨大的挑戰。
研究內容及亮點
根據能帶理論，研究人員分別選擇擁有豐富表面電子態、金屬電導率的近藤拓撲絕緣體SmB6納米帶和Au膜作為CsPbBr3微米方片兩端的電極。由于SmB6納米帶的功函數（2.76~4.30 eV）低于P型半導體CsPbBr3（4.55~4.79 eV），而Au膜的功函數（5.10 eV）高于P型半導體CsPbBr3，因此SmB6和CsPbBr3之間形成肖特基接觸，而Au和CsPbBr3之間為歐姆接觸，即Au/CsPbBr3/SmB6可以形成非對稱性電極型器件結構。
研究人員首先采用實驗室所發展的APCVD方法成功在云母襯底上制備出高密度的單晶CsPbBr3微米方片，如圖1所示，這些單晶材料具有均勻的矩形形貌，其平面尺寸分布在30 μm~60 μm，均方根表面粗糙度低于1.47 nm，平均厚度約為204 nm。而原子分辨的透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，TEM）圖和明銳清晰的電子衍射圖案（圖1e-f）則表明APCVD法所制備的微米片為結晶性良好的單斜CsPbBr3相。
圖1. APCVD法所制備的CsPbBr3微米方片的形貌和晶格結構
隨后，研究人員將SmB6納米帶轉移至CsPbBr3微米方片的的表面，成功構筑了CsPbBr3/SmB6肖特基結（圖2）。與CsPbBr3微米方片相比，CsPbBr3/SmB6肖特基結在525 nm處的熒光（photoluminescence，PL）發光峰的強度降低了2.3倍。進一步的熒光壽命測試結果發現，在形成肖特基結后，CsPbBr3的熒光壽命明顯降低。這表明CsPbBr3/SmB6肖特基結的界面自建電場有效提升了電子-空穴對的分離效率，進而抑制了熒光發射，導致其PL峰強度明顯降低。
圖2. CsPbBr3/SmB6肖特基的表面形貌、結構表征和熒光發光特性
此外，研究人員還對比了非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件在0 V電壓下光響應特性。研究結果表明，非對稱型Au/CsPbBr3/SmB6器件的開關比要比對稱型Au/CsPbBr3/Au器件提升約3倍。而且，非對稱型自驅動Au/CsPbBr3/SmB6器件還具有高的比探測率（D*=3.38×1010 Jones）和光響應度（R=0.184 A/W），這遠遠超過對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件（D*=3.8×108 Jones，R=0.000252 A/W）。此外，與對稱型CsPbBr3器件（ton=370 ms，EQE=0.061%）相比，非對稱型Au/CsPbBr3/SmB6器件的光響應時間（ton=80 ms）和外量子效率（EQE=44.5%）均具有明顯的優勢。同時，非對稱型Au/CsPbBr3/SmB6器件的自驅動光探測特性還優于絕大多數的鈣鈦礦型光電探測器件，這表明其未來在光通訊、工業自動化和環境監測等領域具有很好的發展潛力。
圖3. 非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件在零偏壓下的時間響應曲線
最后，研究人員分別繪制了非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件的能帶圖來探索其光響應機制。從圖4可以看到，在內建電場作用下，CsPbBr3/SmB6界面處會形成0.45 eV的肖特基勢壘，其表面能帶在界面處向金屬性的SmB6一側彎曲。相應地，空穴阻擋層將會形成，導致非對稱型器件的暗電流迅速降低。而光照下，肖特基勢壘的存在一方面增大了載流子遷移率，另一方面還提高了電子-空穴對的分離效率，因此非對稱電極型器件的光響應特性明顯優于對稱電極型器件。另外，界面處內建電場的存在還能夠保證驅使零偏壓下的光生載流子越過肖特基勢壘而形成光電流，這就解釋了非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件優良的自驅動光探測行為。
圖4. 非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件和對稱電極型Au/CsPbBr3/Au器件在明暗條件的能帶圖
通過能帶剪裁技術，研究者成功構筑了一種非對稱電極型Au/CsPbBr3/SmB6器件，不僅提高了CsPbBr3光電探測器件的光響應特性，還成功解決了傳統光電探測器中高光響應度與快速開關時間之間的矛盾。更重要的是，零偏壓下Au/CsPbBr3/SmB6器件的自驅動光探測特性要優于許多其他二維材料基光電探測器，這將為未來研究者制備基于二維材料的高性能自驅動光電探測器提供一種新的技術方案。
本工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、廣東省自然科學基金項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金項目的資助，以及中山大學光電材料與技術國家重點實驗室、廣東省顯示材料與技術重點實驗室等的大力支持。
