多层 Bi2O2Se 纳米膜的近红外光电特性

背景

红外 (IR) 光电探测器自其在军事、商业、公共和学术领域的精细应用以来得到了广泛的研究和研究 [1,2,3]。在过去十年中，二维 (2D) 材料，例如石墨烯、过渡金属二硫属化物 (TMD) 和黑磷，已成为具有巨大红外应用潜力的有前途的候选材料 [4,5,6,7,8 ,9]。由于 2D 材料的有趣特性，包括超薄厚度、高度机械柔韧性、合适且可调的带隙、超快光电特性以及易于定制的范德华异质结构，2D 层状材料被认为是下一代具有竞争力的 IR 介质光电探测器 [10,11,12].

最近，层状氧硒化铋 (Bi2O2Se) 被发现是一种很有前途的二维半导体，具有高电子迁移率、超快光响应、优异的环境稳定性，并且易于通过简便的化学气相沉积 (CVD) 方法进行大规模生产，使其对电子和光电应用 [7, 8, 13,14,15]。此前，何军等人。 [7] 和彭海林等。 [8]先后报道Bi2O2Se对近红外（NIR）具有优异的光电性能。然而，他们主要关注薄层 Bi2O2Se（厚度 ~ 7 nm）。先前对其他二维材料（如 MoS2 [16] 和 MoSe2 [17, 18]）的研究表明，与单层或薄层相比，多层纳米薄片还具有非凡的光电性能。事实上，对于薄膜晶体管 (TFT) 配置中的 FET 应用，多层 Bi2O2Se 可能比薄层 Bi2O2Se 更具吸引力 [16, 19]。例如，多层 Bi2O2Se 中的态密度远高于薄层 Bi2O2Se，后者可以在弹道极限 [13, 14] 中产生相当高的驱动电流。在长通道 TFT 中，多层 Bi2O2Se 中的场效应可以创建多个导电通道，这可以提高 TFT 的电流驱动，类似于绝缘体上的硅 MOSFET [19]。此外，多层 Bi2O2Se 提供比薄层 Bi2O2Se 更宽的光谱响应，因为其带隙更窄，这在各种光电探测器应用中具有优势 [20]。然而，多层Bi2O2Se基光电探测器在电子或光电子领域的应用尚未得到广泛研究。

因此，本文系统地研究了多层Bi2O2Se（厚度~30 nm）的近红外光电特性。基于多层 Bi2O2Se 的光电探测器表现出从 850 到 1550 nm 的超灵敏光响应，在室温下具有良好的重现性。其光响应度在 1000 nm 处达到 101 A/W，上升时间和衰减时间分别为 30 ms 和 60 ms。与薄层 Bi2O2Se 相比，多层 Bi2O2Se 具有更高的光响应性和外量子效率，同时仍保持相对较快的响应时间和较高的检测率。此外，光电流表现出对入射功率的线性依赖性，为多用途应用提供了良好的调谐能力。这些结果为开发下一代超灵敏高性能近红外室温光电探测器提供了机会。

方法

Bi2O2Se 的生长和表征

Bi2O2Se 纳米薄膜是通过化学气相沉积 (CVD) 方法合成的。 Bi2O3 和 Bi2Se3（Alfa Aesar）位于水平管式炉（Lindberg/Blue M）的中心，云母基材（中国天成氟金云母有限公司）放置在下游作为基材。以30 °C min ^-1 的升温速度将炉子先加热到640 °C 并在氩气流下保持 60 min。最后将炉子自然冷却至室温。合成的样品通过光学显微镜（Olympus BX51）、拉曼光谱（WiTec 300R）、原子力显微镜（半接触式，NT-MDT公司）扫描电子显微镜（FEI公司）进行表征。在这里，在扫描电镜表征之前，首先热蒸发10-nm铝以避免云母衬底的电荷效应。

设备制造

基于多层 Bi2O2Se 的光电探测器是通过标准的微纳技术制造的。源极和漏极触点由电子束光刻定义，然后应用电子束蒸发沉积 5 nm Cr/50 nm Au 金属叠层。请注意，为了防止 EBL 工艺过程中云母基板上的电荷积累，在 EBL 工艺之前，将导电聚合物光刻胶 (SX AR-PC-5000) 旋涂在云母上。最后将器件贴合在芯片载体上进行进一步的光电测量。

绩效衡量

光电流测量由自制氙灯（光源：BETICAL HDL-II）光电检测平台进行。在测量中，Keithley 2450 用于提供源漏偏置。通过开/关灯，收集开/关状态下的漏极电流。通过更换不同的滤光片可以获得器件在不同波长（850-1550 nm）下的光电响应。

结果与讨论

如图 1a 所示，层状 Bi2O2Se 显示出具有 I4/mmm 空间群的四方结构，由平面共价键氧化层 (Bi2O2) 组成，夹在具有相对弱静电相互作用的 Se 方阵之间 [21]。这种结构类似于云母。因此，到目前为止，二维 Bi2O2Se 纳米薄膜都是通过化学气相沉积 (CVD) 方法在云母衬底上合成的 [7, 14, 15]。图 1b 说明了在云母上生长的多层 Bi2O2Se 纳米膜的大面积光学视图。可以清楚地看到，纳米薄膜是均匀的，几乎呈矩形。我们实验中 Bi2O2Se 纳米膜的原子力显微镜（AFM）图像如图 1c 所示。根据单层的理论厚度（≈ 0.61 nm）[14, 15]，30 nm（图 1d）等于大约 49 层的厚度。图 1e 显示了 Bi2O2Se 纳米薄膜的 XRD 谱。可辨别的峰均归因于 Bi2O2Se 的 (00l) 衍射面（晶体取向沿 c -axis)，与之前的研究一致 [14]。 Bi2O2Se 的 A1g 特征峰位于 ≈ 159.1 cm ⁻¹ 在拉曼光谱中（图 1f），这与先前的报告 [22] 具有良好的一致性。图 1g 显示了 Bi2O2Se 器件的典型 I-V 曲线。出色的线性 I-V 曲线表明形成了欧姆接触。此外，基于二维 Bi2O2Se 的光电探测器表现出出色的环境稳定性，这是未来实际应用的关键指标 [14, 15]。从图 1h 可以看出，器件的实测长度和宽度分别为 29 μm 和 91 μm。

层状 Bi2O2Se 纳米膜的表征。 一 层状 Bi2O2Se 晶体结构示意图。橙球：Bi。红球：O。黄球：Se。 b 在云母上生长的 Bi2O2Se 纳米膜的典型光学图像。 c 多层 Bi2O2Se 纳米膜的 AFM 图像。 d 对应的高度信息。厚度为~30 nm。 e XRD 图。 f 使用 532 nm 激光激发的拉曼光谱。 g 多层 Bi2O2Se 器件的输出特性，即使暴露在空气中 3 个月也表现出优异的环境稳定性。插图显示了设备的光学图像。 h 多层 Bi2O2Se 纳米膜的 SEM 图像，显示了该材料的纳米结构信息。插图是放大的SEM图像

如图 2a 所示，特意测量了多层 Bi2O2Se 基光电探测器对 NIR 的光电响应。在这里，我们主要讨论该器件在电信频段（1550 nm）的性能，该频段广泛应用于军事、商业、公共和学术领域。从图 2b 可以看出，随着光强的增加，IDS 明显增加。此外，器件在光照下的 I-V 曲线没有表现出明显的开路电压和短路电流。这一事实表明电极和材料之间形成的肖特基势垒在器件的传输特性中没有起关键作用。因此，材料的光电响应应主要来自光电导效应[10]。

基于Bi2O2Se的多层光电探测器对电信波段（波长1550 nm）的光电响应。 一 照明下基于 Bi2O2Se 的光电探测器的 3D 示意图。 b Bi2O2Se基光电探测器在不同光强下的I-V曲线。 c Bi2O2Se 器件在 1550 nm 光照下的时间相关光响应行为 (P =0.26 微瓦）。插图显示了该设备的超快照片响应。 d 不同光强下Bi2O2Se基光电探测器的光电流和光响应性

为了评估光电探测器的性能，光响应度 (R ), 外量子效率 (η ) 和探测率 (D* ) 是关键参数，可以通过以下公式 [10, 17] 计算​​：

其中我 ph 是光电流（照明之间的漏极电流之差（I 我 ) 和黑暗 (I d ) 状态), P 是光强度，S 是有效面积，h 是普朗克常数，c 是光速，λ 是光的波长，q 电子电荷。在这里，我们假设暗电流是散粒噪声的主要贡献者，从而推导出等式（3）[7]。这种简化已被用于评估二维层状材料的光响应，如石墨烯 [23] 和 WSe2 [24]。

从图 2c 中可以看出，该器件在几个循环后对 1550 nm 光具有非常稳定和可重复的光响应。其响应时间极快，上升可达30 ms，衰减可达60 ms。这是因为生长的超薄 Bi2O2Se 纳米膜没有表面陷阱态和浅缺陷能级。最后，如图2d所示，I ph 随着 P 的增加单调增加，遵循 I~P 的关系 ^α .这里，通过拟合实验数据推导出 Bi2O2Se 的 α 为 0.99，表明光电流主要由吸收的光子量决定 [7]。多层Bi2O2Se基光电探测器的光响应度约为68 A/W，具有极高的光电探测器性能。

接下来，系统研究了多层 Bi2O2Se 基光电探测器对 NIR 波长（850-1550 nm）的光电响应性能。根据公式(1)-(3)的计算，光响应度、外量子效率和探测率如图3所示。可以发现该器件对NIR波段具有非常高的光响应度，达到101A /W (900 nm)。此外，多层Bi2O2Se基光电探测器具有超高的η ，在 850 nm 处超过 20,000%，表明其优异的光电转换能力。其检出率可达1.9×10 ¹⁰ 在 900 nm 处，显示出完美的信噪比作为光电探测器。在我们的测量中，器件的暗电流始终保持在一个相对稳定的值（0.5 μA）。因此，D*的趋势 （作为入射波长的函数）类似于 R 的趋势 .显然，与参考文献报道的薄层 Bi2O2Se 相比。 [7] 和参考文献。 [8]，多层 Bi2O2Se 具有更高的光电响应度和外量子效率（源漏偏置电压，1 V，与参考文献 [7] 和参考文献 [8] 相同），同时仍保持相对较快的响应时间并且检出率高。值得注意的是，参考。 [8] 仅报道了泵浦-探针技术的材料固有响应时间（1 ps），而没有报道Bi2O2Se光电探测器的器件响应时间[8]。

多层 Bi2O2Se 基光电探测器的近红外光电性能。 一 光响应性，b 外量子效率和c 探测率与 NIR 波长的函数关系

一般来说，二维层状材料在 NIR 检测范围内还没有表现出如此高的灵敏度。例如，过渡金属二硫属化物 (TMD) 通常具有太大的带隙，无法检测红外光 [17]，而对于石墨烯，它显示出高速光响应，但固有灵敏度非常低，低于几十 mA/W [25]。尽管可以通过制造原子异质结构来提高光响应性 [26,27,28]，但它在 NIR 检测中仍然表现不佳。与其他二维材料（表 1）相比，多层 Bi2O2Se 基光电探测器表现出更优异的光电性能，尤其是高 R 和高 η .值得注意的是，如果应用化学蚀刻来优化多层 Bi2O2Se 纳米薄膜的几何形状 [15]，则该器件的性能可能会进一步提高。

基于 Bi2O2Se 的光电探测器的光响应物理过程可以通过简单的能带图来解释（图 4a）。在没有照明和不施加漏极偏压的情况下，器件处于平衡状态并且通道中没有电流流动。用 NIR 光照射器件会导致电子-空穴对的光吸收和激发，这可以通过施加漏源偏压来提取 [29,30,31]。由于 Bi2O2Se 金属接触中的肖特基势垒非常低，光生载流子很容易通过势垒 [16,17,18]。因此，多层Bi2O2Se基光电探测器表现出优异的光电性能。

多层 Bi2O2Se 基光电探测器的物理机制。 一 多层 Bi2O2Se 基光电探测器的光生载流子行为。其中，EF 为费米能级，EC 为最小导带，EV 为最大价带。 b 基于 Bi2O2Se 的光电探测器的复合过程（“开”状态到“关状态”）。这里CB是导带，CV是价带，Evac是真空能，EA是电子亲和势

重要的是，应该讨论增强光电性能的机制。理论上，多层 Bi2O2Se 的光吸收比薄层 Bi2O2Se 高，可以诱导更高的光电流 I ph [14, 20]。入射功率P(x) 作为距离 x 的函数 可以表示为 P(x) =P 在 ·e ^−α·x , 其中 α 是 Bi2O2Se 纳米膜在入射光子能量下的吸收系数。厚度Δx的Bi2O2Se板吸收的功率量 在距离 x 从表面是 dR 一 =- (dP/dx)·Δx .然后，厚度 d 的 Bi2O2Se 薄膜吸收的总功率 是 R 一 =P 在 ·(1 - e ^−α·d ）。对于 α·d <<1，吸收功率可以写成R 一 =P 在 ·α·d [16, 19]。这里，厚度 d 在我们的实验中是 Ref 的 5 倍和 3 倍。 [7] 和参考文献。 [8]，分别。事实上，我们工作中的多层 Bi2O2Se 纳米膜将具有更好的 R .然而，尽管随着光吸收的增加，多层 Bi2O2Se 有一些缺点，例如更高的态密度（DOS），因此与单层（或薄层）相比会导致更多的中带隙态 [13, 14]。如图 4b 所示，当器件从“开态”转为“关态”时，多层 Bi2O2Se 高能带中的激发电子将首先跃迁到中能带状态，然后返回到地带 [16, 17 , 19]。换言之，载流子寿命τ 将不可避免地倾斜。当设备从“关闭状态”变为“开启状态”时，也会出现同样的情况。有趣的是，与之前的工作相比，多层 Bi2O2Se 纳米膜仍然具有快速的响应时间，这在许多应用中得到了满足 [1,2,3]。这意味着中带隙状态的存在可能不会对 Bi2O2Se 纳米膜的动态性能产生不利影响。最后，对于大大增强的η ，两个主要原因起着举足轻重的作用。首先，增加的层提高了入射光子的吸收率。此外，中带隙态的存在允许更多的受激电子跃迁通道。因此，η 显着增加 [16, 19]。

结论

总之，我们已经介绍了基于多层 Bi2O2Se（厚度 ~ 30 nm）的光电探测器的光电特性。多层 Bi2O2Se 在 850 到 1550 nm 范围内表现出超灵敏的光响应，在室温下具有良好的重现性，包括高光响应性、快速响应时间、高外量子效率和高检测率。结果表明多层Bi2O2Se比薄层具有更好的光响应。

数据和材料的可用性

所有数据完全可用，不受限制。

缩写

近红外：

近红外

IR：

红外线

TFT：

薄膜晶体管

原子力显微镜：

原子力显微镜

SEM：

扫描电子显微镜

CVD：

化学气相沉积

TMD：

过渡金属二硫属化物