ACS Nano：高转换效率的碳纳米管基无障碍双极二极管光电探测器

【引言】

光电探测器的转换效率是其最具价值所在。基于碳纳米管的光电探测器，其转换效率主要由激子分解和朝向触头的自由载流子的传输而定。而声子辅助的激子分离原理对于碳纳米管P-N二极管也有一定效率，但转换效率在通常较低，仅约1-5％。

【成果简介】

近日，北京大学彭练矛教授（通讯作者）及其团队研制了一种无障碍双极二极管（BFBD），其结构是通过二极管两端的N型欧姆接触（Sc）和P型欧姆接触（Pd）与半导体型纳米管进行不规则接触组合而成。他们发现，在短通道的BFBD设备转换效率达到60％以上（如60nm），并且转换效率随通道长度的延长而迅速减小。他们还发现电场辅助机构能够控制BFBD器件中激子分离速率，同时产生光电流。利用时间分辨和空间分辨的蒙特卡罗模拟，他们发现在N型（或P型）电极附近存在着一个富电子（或空穴）区，该区域的电场强度大于17 V/μm，激子分离速率也非常之快（<0.1 ps），综合作用导致了BFBD设备超高的转换效率。

【图文导读】

图一 非对称P型（Pd）和N型（Sc）触点的无障碍双极二极管的结构与性能

（a）无障碍双极二极管的SEM伪色图和示意图

（b）不同通道长度的无障碍双极二极管的伏安曲线

（c）光电流谱测量装置示意图

（d）不同通道长度的无障碍双极二极管的光电流谱

图二 实验原始数据及转换效率

（a）和（b）为同单壁碳纳米管不同沟道长度的实验和标准拟合曲线。离散符号表示实验数据，实线是对这些数据的洛伦兹拟合

（c）和（d）为就分别于E11和E22光激发下不同的通道长度的BFBD转换效率（E₁₁和E₂₂:第一和第二激子共振）

图三 激子寿命以及BFBD中电荷转移和电场的示意图

（a）激子寿命 (KF^-1) 与电场的函数关系图

（b）N型（Sc）和P型（Pd）触点之间碳纳米管通道上的电荷转移示意图

（c）接触点附近的能带弯曲。图中表示从Pd（Sc）触点到碳纳米管通道的空穴（或电子）的转移及在S_pd 和S_Sc内的衰退（在空穴和富电子区之间区域的电荷的量可忽略不计）

【小结】

本问主要论述了以单壁碳纳米管为电子通道，非对称的接触于P型（Pd）和N型（Sc）触点的无障碍双极二极管的结构与性能，该碳纳米管基无障碍双极二极管光电探测器转换效率能够达到60%以上，大大提高了转换效率，推动了光电探测器的开发与改进。

文献链接 ：High Conversion Efficiency Carbon Nanotube-Based Barrier-Free Bipolar-Diode Photodetector   (ACS Nano, 2016 , DOI: 10.1021/acsnano.6b05047)

本文由材料人电子电工学术组franch7供稿，材料牛整理编辑。

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