王中林Adv. Mater. ：基于热释电光电子学效应的宽谱光探测(325-1550 nm)

【引言】

具有纤维锌矿结构的硫化镉（CdS）是一种研究非常广泛的半导体材料，其禁带宽度为2.42 eV。硫化镉在光电器件方面应用广泛，包括发光二极管、光探测器、太阳能电池、光开关和激光器等。其中，硫化镉光探测器由于其能带的限制，仅限于对紫外和可见光波段的探测，且响应速度相对较慢（多数情况下大于几十毫秒）。因此，开展具有宽响应、自驱动、快速和高灵敏度的硫化镉光探测器的研究具有重要意义。

此外，硫化镉由于其非中心对称性而具有热释电性能，当温度变化时将产生热释电极化电荷，从而在沿着硫化镉晶体的极性方向获得一个瞬时电势。p型半导体和n型半导体之间形成pn结，通过热释电电势可以调制pn结的内建电场，从而影响载流子的光电过程，这一现象被称为热释电光电子学效应（Pyro-Phototronic Effect）—— 一种基于热释电效应、光激发和半导体三者之间的耦合效应。基于热释电光电子学效应，可以实现快速和宽谱的光探测。

【成果简介】

近日，在佐治亚理工学院教授、中科院北京纳米能源与系统研究所所长王中林院士的指导下，戴叶婧副教授、王幸福博士和彭文博博士等研究人员通过简单的水热合成法制备了基于p-Si/n-CdS异质结的自驱动柔性光探测器件，其光响应范围甚至超出了Si和CdS的本征带隙的限制，展示了从紫外（325 nm）到近红外（1550 nm）波段的宽谱响应，且具有较快的响应速度（几百微秒~几毫秒）。这归因于热释电光电子学效应，利用光诱导出的热释电电势调制载流子的光电过程，从而提高光响应性能。此外，该自驱动光探测器的探测光谱范围可以基于热释电光电子学效应而进一步扩大。相关研究成果以“Self-Powered Si/CdS Flexible Photodetector with Broadband Response from 325 to 1550 nm Based on Pyro-phototronic Effect: An Approach for Photosensing below Bandgap Energy”为题发表在近期的Advanced Materials杂志上（DOI: 10.1002/adma.201705893）。 

【图文简介】

图1：柔性自驱动p-Si/n-CdS异质结光探测器的结构、表征以及工作机制

(a). p-Si/n-CdS异质结光探测器的结构示意图；

(b). p-Si/n-CdS的形貌表征；

(c). 器件的能带图；

(d). 1060 nm激光照射下，器件在不同光功率密度下的I-V曲线；

(e). p-Si/n-CdS异质结在光亮与光暗时的热释电电荷与内建电势的分布示意图；

(f). 零偏压下的I-t曲线；

(g). 热释电光电子学效应导致的四阶段光响应行为及其对应的工作机制。

图2：柔性自驱动p-Si/n-CdS异质结光探测器的宽谱响应

(a). 器件在零偏压不同波长光照下对应的I-t曲线；

(b). 器件在不同波长光照下对应的工作机制；

(c). Si基底光响应测试的装置图；

(d). 2 V偏压下，Si基底分别在暗场、325 nm和442 nm光照条件下对应的I-V曲线。

图3：热释电光电子学效应

(a). 器件在不同光功率下对应的I-t曲线；

(b). 器件不同机制产生的光电流与光功率密度对应的关系；

(c). 器件不同机制下的响应度与光功率密度的对应关系；

(d). 器件的上升响应时间与下降响应时间与光功率密度的对应关系。

图4：频率和偏压对热释电光电子学效应的影响

(a). 器件在不同频率下的I-t曲线；

(b). 器件在不同频率时对应的响应时间；

(c). 器件在不同偏压下的I-t曲线；

(d). 器件在不同偏压下的响应时间，以及光致热释电增强系数。

【小结】

研究者通过利用硫化镉的热释电光电子学效应，不仅成功地扩宽了p-Si/n-CdS异质结光探测器的光谱响应范围，而且提高了器件的光响应度和响应速度。这种Si/CdS自供电柔性光探测器件可与传统集成电路技术相兼容，因此可以在各种环境中得到广泛的应用，如可穿戴式传感器、光热检测、超快光学、光通信和健康监测等方面；同时也为提升光电器件性能提供了一个全新的思路。

文献链接：Powered Si/CdS Flexible Photodetector with Broadband Response from 325 to 1550 nm Based on Pyro-phototronic Effect: An Approach for Photosensing below Bandgap Energy (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201705893)

【团队介绍】

王中林，中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。首位中组部“千人计划”顶尖千人与团队入选者，教育部长江学者讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会1999年巴顿奖章，2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章（MRS Medal），2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial奖，2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy 新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow, 美国陶瓷学会fellow，英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（CitationLaureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标），王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是该奖项唯一的华人获奖者。2016年荣获先进材料奖。

王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机，并提出了自充电纳米结构系统，为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1500篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他的学术论文已被引用167000次以上，H因子(h-index)是202。Nano Energy的发刊主编和现任主编。

王中林院士个人成果网址：

http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php。

王中林院士研究组主页：

http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/。

【团队在该领域工作汇总】

团队近期在“热释电光电子学效应”领域的工作如下：

1. Light-triggered pyroelectric nanogenerator based on a pn-junction for self-powered near infrared photosensing, ACS Nano, 2017, 11:8339.
2. Enhanced performance of a self-powered organic/inorganic photodetector by pyro-phototronic and piezo-phototronic effects, Advanced Materials, 2017, 29:1606698.
3. Ultrafast response p-Si/n-ZnO heterojunction ultraviolet detector based on pyro-phototronic effect, Advanced Materials, 2016, 28:6880.
4. Temperature dependence of pyro-phototronic effect on self-powered ZnO/perovskite heterostructured photodetectors, Nano Research, 2016, 9:3695.
5. Light-induced pyroelectric effect as an effective approach for ultrafast ultraviolet nanosensing, Nature Communications, 2015, 6:8401.

本文由材料人编辑部新能源学术组金也供稿，材料牛编辑整理。

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