大直径石英管中PdSe2纳米厚膜的电化生长机制以及PdSe2/Si二维-三维PIN型光电探测器的研究

《ACS Applied Nano Materials》：Selenization Growth Mechanism of PdSe2 Nanoscale-Thick Films in Large-Diameter Quartz Tube and PdSe2/Si 2D-3D PIN-like Photodetectors

通过调控Se蒸气浓度优化PdSe?薄膜生长模式，构建垂直PdSe?/n?Si/n?-Si 2D-3D PIN型红外探测器，在532-2200nm波段实现响应度提升22.3%-168%、动态范围扩展65%、暗电流降低两个数量级、速度提升3-4倍及带宽扩展14倍，建立二维材料光电探测器机制创新-结构设计-性能验证研究范式。

　　

在这项研究中，我们创新性地发现了硒蒸气浓度对通过TAC方法进行硒化过程中薄膜形成的影响，揭示了在大直径石英管内硒蒸气浓度对PdSe₂纳米级厚膜生长模式的定量调控机制。研究发现，在较低的硒蒸气浓度下，PdSe₂纳米级厚膜呈现出较大的晶粒和岛屿状生长模式，并且分布较为分散；而在较高的硒蒸气浓度下，PdSe₂纳米级厚膜的晶粒较小，且具有连续密集的堆叠结构，这表明富含硒的环境显著提高了薄膜的结晶度。基于这一发现，我们构建了一种垂直结构的PdSe₂/n^–-Si/n⁺-Si 2D–3D PIN型光电探测器。该器件具有500纳米厚的本征层，其性能相较于5微米厚的器件有了显著提升。该器件在532–2200纳米的宽光谱范围内表现出优异的性能：在1310纳米处的响应度为202 nA/W（提升22.3%），在1550纳米处的响应度为17.4 nA/W（提升168%）；在2200纳米处仍能保持良好的长波响应；线性动态范围扩展至46至76分贝（提升65%）；暗电流从1 nA降低到10 pA（降低了两个数量级）；特定检测率从2.1 × 10¹⁰ Jones提升到5.82 × 10¹⁰ Jones（提升177%）。器件的上升/下降时间从739微秒/3.64毫秒缩短至250微秒/1.5毫秒（速度提升了3–4倍），3分贝带宽从238赫兹扩展至3.35千赫兹（提升了14倍）。此外，该器件还实现了在1310纳米处的室温红外成像功能。这项工作为2D材料光电器件的研究建立了一种“机制创新-结构设计-性能比较”的研究范式。