自供电的GeSe/Gr/InSe范德瓦尔斯异质结构用于紫外-可见-红外光探测

《Applied Surface Science》：Self-powered GeSe/Gr/InSe van der Waals heterostructure for UV–VIS-IR photodetection

二维材料异质结光探测器研究

　　

赵峰|吕思琪|席英军|庄旭业

山东工业大学工业工程系，中国淄博255000

摘要

二维（2D）光电探测器因其在各领域的广泛应用前景而受到越来越多的关注。因此，对具有宽波长范围、快速响应和高灵敏度的光电探测器的需求正在显著增加。在本研究中，制备了P-N型GeSe/InSe异质结构和P-Gr-N型GeSe/石墨烯/InSe（GeSe/Gr/InSe）三明治异质结构。与GeSe/InSe异质结构相比，GeSe/Gr/InSe异质结构表现出优异的光电检测性能，这得益于石墨烯（Gr）的引入，它促进了载流子的分离，包括宽响应范围（250～950 nm）、高灵敏度（比GeSe/InSe异质结构高四个数量级）和快速响应时间（0.87 ms）。此外，GeSe/Gr/InSe异质结构还具有良好的自供电特性。这项工作为开发自供电高性能光电探测器提供了新的见解。

引言

光电探测器能够将光信号转换为电信号，已被广泛应用于医学成像、阵列成像、热成像、航空航天、激光制导和健康监测等领域[1]、[2]、[3]、[4]。由于光电探测器在各个领域具有广泛的应用前景，对高灵敏度、快速响应和宽波长范围的高性能光电探测器的需求正在显著增加[5]、[6]、[7]。此外，依赖外部电源供电的光电探测器在医学诊断和环境监测等应用中受到尺寸、重量、功耗和噪声限制的影响[8]。因此，对小型自供电高性能光电探测器的需求正在增加。随着石墨烯（Gr）的出现，这种具有单原子厚度、高载流子迁移率和高灵敏度的二维（2D）材料已成为许多光电领域研究专家的研究焦点[9]。基于2D材料的光电探测器因其强的光-物质相互作用、可调带隙和相对较高的电子迁移率而受到研究人员的关注[10]、[12]。

为了充分发挥2D材料的潜力并减少其自身缺陷的影响，由垂直堆叠的2D材料构成的P-N型异质结构引起了极大的兴趣，这种结构具有内置电场和层间复合效应，不仅增强了载流子的分离和传输效率，还为结合不同特性的2D材料提供了机会[11]。为了提高响应速度，可以在其中插入额外的2D功能层，通过调节界面性质来实现更快的响应速度，从而更好地应用于高速光通信、光学成像系统和实时监测[12]、[13]。

在本研究中，制备了P-N型GeSe/InSe异质结构和P-Gr-N型GeSe/石墨烯/InSe（GeSe/Gr/InSe）三明治异质结构。与GeSe/InSe异质结构相比，GeSe/Gr/InSe异质结构表现出宽响应范围（250～950 nm）、高灵敏度和高响应速度（0.87 ms），这归因于石墨烯的引入，它通过减少界面处的载流子散射并改善了界面缺陷促进了载流子的分离。此外，GeSe/Gr/InSe异质结构还具有良好的自供电特性。这些结果为开发自供电高性能光电探测器提供了新的见解。

部分内容摘要

器件制备

GeSe、InSe和石墨烯（Gr）购自南京MKNANO Tech。在制备GeSe/InSe异质结构时，通过机械剥离将GeSe和InSe晶体剥离成薄片并垂直堆叠在基底上。在制备GeSe/Gr/InSe异质结构时，选择极薄的石墨烯覆盖GeSe，然后覆盖InSe形成P-Gr-N结构。最后，用hBN覆盖器件表面以保护器件免受外界影响

结果与讨论

图1a展示了GeSe/InSe异质结构的3D示意图，其中GeSe和InSe分别作为漏极和源极。异质结构区域为62.8 μm2，即图1b中GeSe和InSe的重叠区域。为了保护GeSe/InSe异质结构免受氧气的影响，用几层hBN进行封装[14]。由于其原子级密度和化学惰性，hBN有效地阻挡了来自环境的水分和氧气，防止了器件氧化

结论

总结来说，制备了GeSe/InSe异质结构和GeSe/Gr/InSe异质结构光电探测器。与GeSe/InSe异质结构相比，GeSe/Gr/InSe异质结构表现出优异的光电检测性能，这得益于石墨烯的引入，优化了电荷载流子的传输效率，包括宽响应范围（250～950 nm）、响应速度（0.87 ms）和灵敏度（比GeSe/InSe异质结构高四个数量级）。此外，GeSe/Gr/InSe

作者贡献声明

赵峰：撰写——审稿与编辑、方法论、研究设计、概念构建。吕思琪：撰写——初稿撰写、研究实施、数据分析。席英军：撰写——审稿与编辑。庄旭业：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023QE102和ZR2021MF042）、山东省泰山学者计划（项目编号：tsqn201909108）以及山东省精密制造与非传统加工重点实验室的支持。