东南大学徐春祥教授团队Nano Energy：ZnO/ZnTe核/壳纳米阵列中光伏-热释电效应的协同与自驱动宽光谱探测

【引言】

紫外-可见到红外的宽光谱光电探测器，广泛应用于环境监测、成像、医学、通讯和夜视等领域。宽直接带隙半导体ZnO在短波长光电探测器件领域具有独到的物理优势，但基于光电导模式的ZnO基探测器，主要工作于紫外波段，响应和恢复时间较慢，同时需要外加偏压，造成额外的成本和能源消耗，也不利于器件集成。因此，寻求新的工作机制，实现宽光谱、自驱动、快速和高灵敏的光探测器的具有重要意义。

具有非中心对称结构的ZnO纳米材料具备特殊的热释电效应，当温度变化时将产生热释电极化电荷，从而在沿着ZnO晶体的极性方向产生瞬时电势。据此可用由不同波段光照，诱导ZnO的热释电电势，调控光电转换和载流子输运过程，并结合ZnO与其它半导体的异质结构的合理设计，通过热释电-光伏耦合效应，实现宽光谱范围的快速光探测。

【成果简介】

近日，东南大学徐春祥教授的科研团队在Nano Energy 上发表了题为“Photovoltaic-Pyroelectric Effect Coupled Broadband Photodetector in Self-powered ZnO/ZnTe Core/Shell Nanorod Arrays”的文章。该团队在气相传输法制备的ZnO纳米结构的基础上，采用经典的磁控溅射法构建了均匀包覆的ZnO/ZnTe核壳纳米棒阵列，形成了n-ZnO/p-ZnTe异质结光电探测器件。基于ZnO的热释电效应，以及ZnO/ZnTe p-n异质结的光伏效应，协同实现了在零偏压下从325 nm紫外到1064 nm近红外的宽光谱探测。在325 nm 激光 (2.13 mW/cm²) 照射下，最大响应度和探测率分别达到196.24 mA/W 和 3.47 × 10¹² cm Hz^1/2/W，比仅有光伏响应的器件提高了10倍，且上升时间和下降时间从1.222 ms和1.563 ms分别下降到62 μs降到109 μs。

【图文导读】

图一 ZnO/ZnTe核壳纳米棒的合成示意图及理化表征

a) ZnO/ZnTe核壳纳米棒阵列器件合成示意图；b, c) ZnO和ZnO/ZnTe核壳纳米棒的SEM图；

d, e, f, g) ZnO和ZnO/ZnTe的EDS, XPS, XRD和吸收谱；h) ZnO/ZnTe器件结构能带结构。

图二 ZnO/ZnTe核壳纳米棒形貌表征

a, b, c) ZnO/ZnTe核壳纳米棒TEM, HRTEM图；d) ZnO/ZnTe核壳纳米棒的STEM图；

e, f) ZnO/ZnTe核壳纳米棒的元素分布和线扫描图。

图三 ZnO/ZnTe探测器紫外-可见-红外波段的I-V响应和工作机制

a, b, c) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下的I-V测试曲线；d, e) ZnO/ZnTe器件在325 nm激光照射下的I-t测试曲线；f) 光伏-热释电耦合效应下的四阶段光响应行为及其对应的工作机制。

图四 ZnO肖特基、欧姆接触 和ZnTe欧姆接触探测器电学表征

a, d) ZnO肖特基接触器件在325 nm激光照射下的I-V和I-t测试曲线；b, e) ZnO欧姆接触器件在325 nm激光照射下的I-V和I-t测试曲线；c, f) ZnTe欧姆接触器件在325 nm激光照射下的I-V和I-t测试曲线。

图五 ZnO/ZnTe探测器紫外-可见-红外波段光电响应及工作机理

a, b) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下的I-t测试曲线；c) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下的红外热成像图；d)ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下工作机制图。

图六 光功率和偏压对光伏-热释电效应的影响

a, b, c, d, e, f) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下光功率对光伏-热释电效应的影响；g, h, i) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下偏压对光伏-热释电效应的影响。

【小结】

综上所述，研究者采用简便的气相传输和溅射方法制备了基于ZnO/ZnTe核/壳型纳米棒阵列的自驱动宽光谱响应光电探测器。通过利用n-ZnO/p-ZnTe光伏-热释电耦合效应，不仅拓宽了ZnO/ZnTe从紫外到近红外的宽光谱响应，而且提高了器件的光响应度和响应速度。本工作系统研究了光照波长、外加偏压和光功率密度对器件的光伏-热释电耦合效应的影响，为实现高性能的宽谱光电探测器提供了一个简单而有效的方案。

文献链接：Daotong You, Chunxiang Xu∗, Wei Zhang, Jie Zhao, Feifei Qin, Zengliang Shi, Photovoltaic-Pyroelectric Effect Coupled Broadband Photodetector in Self-powered ZnO/ZnTe Core/Shell Nanorod Arrays ( Nano Energy, 62, 2019, 310–318 ).

【徐春祥教授团队介绍】

徐春祥教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才，东南大学首席教授。现任东南大学生物科学与医学工程学院副院长。1997年于中国科学院长春物理研究所获博士学位，后加入东南大学历任副教授、教授。徐春祥教授近年来主要从事纳米光电功能材料与器件及其生物医学的功能应用研究，特别是在半导体微纳米结构制备表征、新型微腔激光、表面等离激元调控与光学增强、生物传感等方面取得了一系列创新性研究成果。先后主持973、863、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目及面上项目、江苏省重点研发计划等二十多项国家级与部省级研究项目。 研究成果获教育部自然科学二等奖（第一完成人），在Advanced Materials，ACS Nano，Laser & Photonics Reviews等国际权威学术刊物上发表SCI论文250余篇，已被引用7000余篇次，授权发明专利20余项。

徐春祥教授研究组主页：

http://nbp.seu.edu.cn

【团队近期工作汇总】

团队近期在“核壳结构光电功能器件”领域的工作如下：

1.Single-Crystal ZnO/AlN Core/Shell Nanowires for Ultraviolet Emission and Dual Color Ultraviolet Photodetection, Advanced Optical Materials, 2019, 7, 1801522.

2.Three-dimensional core-shell nanorod arrays for efficient visible-light photocatalytic H₂production, ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(41), 35184-35193.

3.Vertically aligned ZnO/Ga₂O₃core/shell nanowire arrays as self-driven superior sensitivity solar-blind photodetectors, Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(10), 3056-3063.

4.Interface Control for Pure Ultraviolet Electroluminescence from Nano-ZnO-based Heterojunction Devices, Science Bulletin, 2018, 63(1), 38-45.

材料人东南大学徐春祥教授的科研团队供稿。

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.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP.