北科大张跃&张铮Nano Energy : 压电效应对超灵敏柔性光电探测器中混合维度范德华异质结构的界面电荷调控

【引言】

由于原子级的厚度、独特的栅极可调性、优异的机械强度以及良好的光电性能，栅极调控范德华(vdWs)异质结性能已经在新型光电子学中具有较大的应用，如两端FET、非易失性存储器、光电探测器。这种栅极可调性对于vdWs异质结构器件是至关重要的，在硬质基底(如SiO₂/Si)上可通过外加静电场来实现。然而，柔性器件加工复杂性，电极与材料之间弯曲滑移限制了这种调控方法在vdWs异质结柔性光电子器件中的潜在应用。因此，需要提出新的调控手段来实现范德华异质结柔性器件的栅压调控。混合维度vdWs异质结可将不同维度的材料任意集成，使得不同材料的特性耦合来构筑高性能器件。此外，二维二硒化钨(WSe₂)具有高达350 cm²·V^-1·S^-1的高载流子迁移率和超强的光-物质相互作用特性。上述特性使其成为用于构建范德华p-n异质结的良好p型半导体，并且有望在宽光谱光电探测器(PD)中得到应用。一维ZnO具有优异的压电性能和高电子迁移率，可用于构建高性能的混合维度vdWs p-n异质结构。利用ZnO的压电性能来调控范德华异质结界面的载流子传输是非常有前景的。

【成果简介】

近日，北京科技大学张跃教授、张铮副教授(共同通讯作者)等提出一种独特的应变控制方法来调控2D WSe₂-1D ZnO vdWs界面电荷，并通过调整WSe₂的电子态来调制其光敏性能，并在Nano Energy上发表了题为“Piezotronic Effect on Interfacial Charge Modulation in Mixed-dimensional Van der Waals Heterostructure for Ultrasensitive Flexible Photodetectors”的研究论文。随着拉伸应变的增加，器件的光电流明显增强，并且在白光照射下相应的光响应度达到394 mA·W^-1。其性能增强可归因于ZnO纳米带极性表面上的应变诱导的压电极化电荷，充当了“栅极”来调节WSe₂-ZnO vdWs界面处的光生载流子的局部传输。该工作提供了一种新的策略来实现vdWs界面和应变刺激之间的相互作用，拓宽了功能性vdWs异质结构在下一代光电探测或成像中的应用。

【图文简介】
图1 WSe₂-ZnO的构筑及工作原理

a) 寡层WSe₂-ZnO纳米带柔性p-n光电探测器的制备过程示意图；
b) 柔性光电探测器在拉伸应变下的光学图像，内插为柔性光电探测器的结构，由寡层WSe₂、ZnO纳米带和电极组成；
c) 寡层WSe₂-ZnO纳米带柔性p-n光电探测器的工作原理示意图。

图2 WSe₂-ZnO vdWs异质结构的PL和SKPM表征

a) WSe₂-ZnO vdWs异质结构的PL图像，内插为橙色矩形区域中PL图像的局部放大，橙色虚线中为WSe₂-ZnO堆叠区域的PL图像；
b) 从a图内插中突出显示的不同点获得的PL光谱；
c) WSe₂/ZnO异质结区的SKPM图像，其中白色虚线区域表示WSe₂，白点虚线区域表示ZnO；
d) 层状WSe₂和ZnO纳米带之间的CPD值，其中从c中的红线提取的数据值约为80 meV。

图3 WSe₂-ZnO vdWs异质结构的电学和光响应性质

a) 柔性PET基底上的WSe₂-ZnO PD的示意图；
b) 柔性WSe₂-ZnO二极管在0 %应变下的线性和对数刻度的电流-电压曲线；
c) 在0 %应变、不同光照强度下，WSe₂-ZnO PD的I-V特性曲线；
d) WSe₂-ZnO异质结构中光伏效应的示意图，蓝色箭头表示电子/空穴移动方向；
e) WSe₂-ZnO PD的光电流随光照强度的变化；
f) WSe₂-ZnO PD的响应度随光照强度的变化。

图4 不同应变下WSe₂-ZnO异质结构的光致发光特性

a) WSe₂在不同应变条件下的光致发光光谱，正负百分比分别代表拉伸和压缩应变；
b) 对于所示应变，在1.45-1.7 eV范围内的光致发光光谱(暗线)，间接带隙发射(I)、中性激子(A)和带电激子(A^-)共振随应变表现不同，蓝线是对实验结果的洛伦兹拟合，I、A^-和A组分以绿色、红色、深紫红色线分别显示；
c) 由PL光谱确定的I、A-和A的光子能量随应变的变化；
d) 压缩应变调节光生电荷的示意图；
e) 0 %应变调节光生电荷的示意图；
f) 拉伸应变调节光生电荷的示意图。

图5 自驱动WSe₂-ZnO PD的压电调控性能

a) 光照下、拉伸应变下，柔性WSe₂-ZnO PD的示意图；
b) WSe₂-ZnO vdWs PD在不同应变下光响应随时间的变化，在0 V偏压下固定光密度为0.667 mW·cm^-2；
c) 柔性WSe₂-ZnO PD的短路电流ISC和R随应变的变化；
d) 拉伸应变下WSe₂-ZnO异质结构的能带调节示意图；
e) 压缩应变下WSe₂-ZnO异质结构的能带调节示意图。

图6 WSe₂/ZnO PD在光导模式下的压电调控性能

a) 固定光密度为0.667 mW·cm^-2，WSe₂-ZnO异质结在不同应变下的输出特性曲线；
b) 施加1 V外部偏压后，在不同应变下光电流随光密度的变化；
c) 施加1 V外部偏压后，在不同应变下响应度随光密度的变化；
d) 施加1 V外部偏压后，在不同应变下相对光电增益随光密度的变化；
e) 在2.32 mW·cm^-2和5.21 mW·cm^-2的指定光密度下，检测率随应变的变化。

【小结】

综上所述，作者利用压电效应所带来的应变调控构筑了高性能WSe₂-ZnO柔性光电探测器，系统地提出并证明了应变调控机理，其中应变诱导的压电极化电荷能够有效地调节WSe₂-ZnO vdWs异质界面处的电荷传输。 随着拉伸应变的增加，光电探测器在自供电模式下的响应电流和光响应度明显增强。在光导模式下，器件光电流从61 pA增加到320 pA，且光响应度从117 mA·W^-1增加到394 mA·W^-1。该工作为调控vdWs异质界面提供了一种应变工程策略，并为下一代柔性光电子学提供了重要参考。

文献链接：Piezotronic Effect on Interfacial Charge Modulation in Mixed-dimensional Van der Waals Heterostructure for Ultrasensitive Flexible Photodetectors (Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.01.024)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu，我们会邀请各位老师加入专家群。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。