厦门大学蔡端俊教授Small丨超高响应度日盲光电探测纸研究中取得重要进展

 【导读】

对于190-285 nm波段的阳光，地表是它的禁区。这一波段的阳光在穿越大气层的过程中会被完全吸收，以至于在我们的生活空间内，几乎探测不到它的存在，“日盲”故此得名。如若在地表监测到日盲紫外光信号，无疑代表导弹发射、炸药爆炸、火灾、强闪电等特定事件的发生。因此，对日盲紫外信号的监测在特定领域意义重大。目前，传统日盲紫外光电探测器仍多采用硅材料，虽可实现紫外探测，但其效率并不理想，结构较为复杂，功能较为单一。

【成果掠影】

近日，厦门大学蔡端俊教授、陈小红教授、李静教授团队在Small期刊发表了题为“Upconversion under Photon Trapping in ZnO/BN Nanoarray: An Ultrahigh Responsivity Solar-Blind Photodetecting Paper” 的最新研究成果论文，并被选为封面文章。该工作报道了在h-BN/Cu纸表面直接异质外延超长垂直的ZnO纳米柱阵列，并结合新型Cu纳米线透明柔性电极3D喷涂技术，成功研发了一种隧穿型柔性日盲紫外光电探测纸。在临界偏压（3.9 V）下，实现了单一半导体器件对日盲紫外光（< 280 nm）和近紫外光（365 nm）的可切换探测，展示出超高的光电响应：R @ 700 A/W、EQE @ 2×10³ @ 265 nm，R @ 8697.7 A/W、EQE @ 3×10⁴ @ 365 nm，远超传统的宽禁带半导体光电探测器体系，是目前国际上所报道的最高值之一。同时，该光电探测纸具有很好地柔韧性、稳定性和抗疲劳性，为未来多功、智能和高效的日盲紫外探测和可穿戴应用开辟了可能性，预示着巨大的商用价值。

【核心创新点】

该团队提出并设计高规整 ZnO 纳米柱阵列深光子陷阱，增强日盲紫外光子俘获，构建h-BN/ZnO 异维强电场界面实现光电倍增，以及利用微分负电阻（NDR）效应驱动光电子上转换转移。具体地：（1）利用二维 h-BN范德华弱作用力界面释放ZnO与Cu纸之间的失配应力，诱导生长高规整 ZnO 纳米柱阵列；（2）提出Cu纳米线顶层透明网络电极3D喷涂技术，增加日盲紫外光子透过，并通过顶层Cu纳米线扰乱入射光子传播路径实现光子在ZnO 纳米柱阵列内的多级反射，将紫外光子吸收度提升 > 99.5%；（3）二维h-BN 介质膜增加Cu/ZnO 异维界面势垒高度，降低器件暗电流，同时形成界面电荷堆积，强化内电场，增强载流子在隧穿过程中的碰撞电离，提升器件的光增益；（4）利用NDR效应诱导ZnO相邻能谷间的光电子转移，形成能量分立的3.4 eV/4.5 eV光子吸收阱，在国际上首次成功利用NDR效应实现了基于单一半导体材料的可调双波段（UVA/UVC）探测。

【数据概览】

图1. a）Cu基二维h-BN薄膜及其 b) HR-TEM图、c) Raman光谱；d) 无、e) 有h-BN诱导层的Cu 基 ZnO阵列；f) ZnO阵列（青色）及其籽晶层（粉色）的Raman光谱；g，h）ZnO阵列及其Cu 纳米线顶层网络透明电极；i）Cu 纳米线网络的透光率与方阻关系。

图2. Cu纳米线和ZnO阵列共增强紫外光子俘获 (a, b) 示意图； c)不同角度和波长入射光下，ZnO阵列内的模拟电场分布，绿色虚线为光子传播深度；d, e) 不同角度和波长入射光下，ZnO阵列结构与平面结构的吸光度； f) 有无Cu纳米线顶层网络时ZnO阵列的吸光度。

图3. a)日盲紫外光电探测纸的结构示意图及其b) 能带结构；c，d) APSYS 软件模拟的器件的电场分布和I-V曲线；e）暗态（青色）和紫外光（粉色）辐照下器件的 I-V 曲线；f，g）纤锌矿结构ZnO的能带结构；g) 在强电场作用下，光电子从近紫外区上转换到日盲紫外区示意图；h，i) 不同偏压下器件的光电流与入射紫外光波长的关系：呈现探测波段可调特性。

图 4.日盲紫外光电探测纸的灵活性、可靠性和超高响应度展示： a) 柔性 PET 基板上的Cu纳米线的柔韧性和可靠性测试；b，c) 不同弯曲状态下器件的I-t；d) 器件经500 次弯曲测试后的I-t；e) 对业内基于不同半导体材料的普通/柔性紫外光电探测器的高响应度总结。

【成果启示】

本课题组研发了一种柔性日盲紫外光电探测纸器件，可通过调控临界外偏压在近紫外和日盲紫外信号之间进行切换检测。该器件具有强大的可靠性和超高的响应度，响应度最高可达700 A/W @ 265–276 nm，8697.7 A/W @ 365 nm。本论文工作对于从新维度、新结构、新物理、新功能等多方面探索智能、多功日盲紫外柔性光电子器件具有积极意义。

【论文信息】

该论文工作由厦门大学作为第一单位完成，博士生刘国振为第一作者，蔡端俊教授和陈小红教授为该论文的通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省科技计划等项目的资助。

链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202200563