Bi₂O₂Se纳米薄膜实现卓越近红外光探测：响应率101 A/W、响应时间30 ms、量子效率20300%

摘要

本文系统研究多层Bi₂O₂Se纳米薄膜的近红外（NIR）光电性能。器件展现优异NIR光响应：高光响应率（~101 A/W）、快速响应时间（~30 ms）、高外量子效率（~20,300%）、高探测率（1.9×10¹⁰ Jones）。结果表明多层Bi₂O₂Se纳米薄膜器件在超快、高灵敏NIR光电器件应用中极具潜力。

研究背景

红外光探测器在军事、商业、公共、学术领域应用广泛。近十年，二维（2D）材料（石墨烯、过渡金属硫族化合物TMDs、黑磷等）凭借超薄厚度、高机械柔性、可调带隙、超快光电特性、易构建范德瓦尔斯异质结构，成为下一代红外光探测器竞争性材料。

新发现的层状铋氧硒（Bi₂O₂Se）是极具前景的2D半导体：高电子迁移率、超快光响应、优异环境稳定性、易通过化学气相沉积（CVD）大规模制备。He Jun等和Peng Hailin等先后报道薄层Bi₂O₂Se（~7 nm）具优异NIR光电性能。但其他2D材料（MoS₂、MoSe₂）研究显示多层纳米片光电性能优于单/薄层。多层Bi₂O₂Se对薄膜晶体管（TFT）应用更具吸引力：态密度更高可产生更大弹道极限驱动电流；长沟道TFT中可形成多导电通道提升驱动电流；更窄带隙提供更宽光谱响应范围。然而多层Bi₂O₂Se基光探测器在电子/光电领域鲜有深入研究。

本文系统研究多层Bi₂O₂Se（厚度~30 nm）NIR光电性能。器件在850–1550 nm表现超灵敏光响应、室温下良好重现性。1000 nm处光响应率达101 A/W，上升/下降时间分别为30/60 ms。相比薄层，多层具更高响应率和外量子效率，仍保持较快响应时间和高探测率。光电流随入射功率线性变化，利于多用途调控。为开发新一代超高灵敏高性能室温NIR光探测器提供机会。

方法

Bi₂O₂Se生长与表征

CVD法合成Bi₂O₂Se纳米薄膜。Bi₂O₃和Bi₂Se₃（Alfa Aesar）置于水平管式炉（Lindberg/Blue M）中心，云母基片（天成氟金云母）置下游。炉温以30°C/min升至640°C保温60分钟（氩气保护），自然冷却。光学显微镜（Olympus BX51）、拉曼（WiTec 300R）、原子力显微镜（半接触模式，NT-MDT）、扫描电镜（FEI）表征。SEM前热蒸发10 nm Al避免云母充电效应。

器件制备

标准微纳工艺制备多层Bi₂O₂Se光探测器。电子束光刻（EBL）定义源漏极，沉积5 nm Cr/50 nm Au金属堆叠（电子束蒸发）。为防EBL过程云母积聚电荷，先旋涂导电聚合物光刻胶（SX AR-PC-5000）。最后键合芯片载体进行光电测试。

性能测量

自制氙灯（BETICAL HDL-II）光探测平台测量光电流。Keithley 2450施加源漏偏压。开关光收集明暗漏电流。更换滤光片获取850–1550 nm不同波长光电响应。

结果与讨论

Bi₂O₂Se晶体结构（图1a）属四方晶系I4/mmm空间群，由平面共价键合Bi₂O₂层夹塞原子层与Se方阵层（弱静电相互作用）组成，结构类似云母，故二维Bi₂O₂Se纳米薄膜均在云母上CVD生长。图1b光学图像显示薄膜均匀、近矩形。AFM（图1c、d）测厚~30 nm，按单层理论厚度≈0.61 nm计约49层。XRD（图1e）衍射峰均属(00l)晶面（c轴取向），符合前人报道。拉曼（图1f）特征A₁g峰≈159.1 cm⁻¹，与前人一致。I-V曲线（图1g）呈优异欧姆接触，且器件暴露空气3个月仍稳定，环境稳定性优异。SEM（图1h）器件长宽分别为29 μm、91 μm。

电信波段（1550 nm）光电响应（图2）：IDS随光强明显增大（图2b）；光照下I-V无明显开路电压/短路电流，表明电极/材料间肖特基势垒非主导输运机制，光电响应主要源于光导效应。时域响应（图2c）稳定可重复，上升/下降时间分别达30/60 ms，归因于生长超薄薄膜无表面陷阱态和浅缺陷能级。光电流随光强单调增加，拟合指数α=0.99，光电流主要由吸收光子数决定。1550 nm处光响应率~68 A/W，性能极高。

系统研究850–1550 nm NIR光电性能（图3，按公式1–3计算）：光响应率峰值101 A/W（900 nm）；外量子效率超20,000%（850 nm），展现卓越光电转换能力；探测率达1.9×10¹⁰（900 nm），信噪比优异。暗电流稳定~0.5 μA，故D*波长趋势与R相似。对比文献[7][8]薄层Bi₂O₂Se（同1 V偏压），多层响应率和量子效率更高，响应时间和探测率仍具竞争力。注意[8]仅报材料本征响应时间（1 ps，泵探技术），非器件响应时间。

对比其他2D材料（表1）：TMDs带隙大难探测红外；石墨烯高速但本征灵敏度低（<几十mA/W），异质结虽可提升但仍不完美。多层Bi₂O₂Se光电性能更优，尤其高R和高η。若化学刻蚀优化几何形貌，性能可望进一步提升。

物理机制（图4）：能带图解释光电响应过程。平衡态无电流。NIR光照激发电子-空穴对，施加漏源偏压提取载流子。Bi₂O₂Se-金属接触肖特基势垒极低，光生载流子易跨越，故器件展现优异光电性能。

性能增强机制探讨：理论上多层光吸收更强诱导更高光电流。入射功率P(x)=Pin·e^(-αx)，吸收功率Ra=Pin·(1-e^(-αd))。αd<<1时Ra≈Pin·α·d。本实验厚度为[7][8]的5倍和3倍，故吸收更强。但多层态密度（DOS）更高导致更多中间隙态。器件从“开”到“关”时，高能带激发电子先跃迁至中间隙态再回基态，载流子寿命τ必然延长（图4b）。有趣的是，多层Bi₂O₂Se仍保持快速响应，说明中间隙态未损害动态性能。高η主要两因素：层数增加提升光子吸收率；中间隙态为激发电子提供更多跃迁通道，显著提升η。

结论

总结多层Bi₂O₂Se（~30 nm）光探测器光电性能：850–1550 nm超灵敏光响应、室温良好重现性，具高光响应率、快速响应时间、高外量子效率、高探测率。多层Bi₂O₂Se光响应优于薄层。

缩略语

NIR:

近红外

IR:

红外

TFT:

薄膜晶体管

AFM:

原子力显微镜

SEM:

扫描电镜

CVD:

化学气相沉积

TMDs:

过渡金属硫族化合物