二維層狀原子晶體材料的物理性能（如帶隙等）隨厚度減小而變化，在光子和光電子器件的應(yīng)用中具有廣闊前景。光電探測器作為重要的光電應(yīng)用單元器件，引發(fā)學(xué)界廣泛關(guān)注，近年來基于二維原子晶體材料的光電晶體管成為最主要的關(guān)注對象之一。除半金屬的石墨烯之外，半導(dǎo)體二維原子晶體材料（如過渡金屬硫?qū)倩�合物、II-VI族、Ⅲ-VI族層狀半導(dǎo)體等）是光電探測器溝道材料的優(yōu)良候選者。然而，由于在大柵極電壓下存在較大的暗電流，光開關(guān)比和光響應(yīng)率小是基于這些二維原子晶體材料的光電探測器存在的問題。硒化銦（InSe）作為一種典型的二維層狀Ⅲ-VI族半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能（載流子遷移率~10⁴ cm² V^-1s^-1）和適中且可調(diào)的直接帶隙，光譜響應(yīng)覆蓋了從近紅外到紫外的范圍，在光電器件中表現(xiàn)出潛力。因此，如何優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)并充分發(fā)揮其在光電探測器領(lǐng)域的作用，成為科研人員重點關(guān)注的關(guān)鍵問題�！� d
[h2Y/AR  
Kk?]z7s-4  
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室研究員、中科院院士高鴻鈞帶領(lǐng)的團隊長期致力于研究新型二維原子晶體材料的制備、物性調(diào)控及原型器件構(gòu)筑等，并獲得了一系列重要研究成果。例如，他們實現(xiàn)黑磷的電子摻雜，并構(gòu)筑出黑磷柵控二極管、邏輯反相器、雙向整流器等一系列平面器件（Nano Lett. 16, 6870 (2016)），進一步利用交聯(lián)PMMA作為頂柵、SiO₂作為背柵，通過雙柵調(diào)控實現(xiàn)黑磷的單極性（N型或P型）場效應(yīng)晶體管（2D Mater. 4, 025056 (2017)）。 q(tdBd'o6  
|
~QHCg<  
近期，該團隊博士生吳良妹（已畢業(yè)）和副研究員鮑麗宏等針對InSe和傳統(tǒng)柵介質(zhì)（如SiO₂、Al₂O₃、HfO₂等）的界面特性不兼容所誘導(dǎo)的額外載流子散射過程，從而造成InSe的場效應(yīng)晶體管的遷移率、開關(guān)比嚴(yán)重下降的關(guān)鍵科學(xué)問題，利用二維原子晶體異質(zhì)結(jié)堆疊技術(shù)，將InSe作為溝道材料、六方氮化硼（h-BN）作為背柵、石墨 （graphite）作為柵電極，構(gòu)筑了InSe/h-BN/graphite異質(zhì)結(jié)。研究人員對該異質(zhì)結(jié)進行高分辨掃描透射顯微鏡表征，發(fā)現(xiàn)InSe與h-BN之間具有原子級銳利的界面特性（與中國科學(xué)院大學(xué)教授周武合作）。該原子級銳利的界面特性降低了載流子在溝道與柵介質(zhì)界面處的散射，使以該異質(zhì)結(jié)作為核心單元構(gòu)筑的場效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出高達1146 cm²/Vs的電子遷移率、~10¹⁰的電流開關(guān)比。進一步利用該異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑的邏輯反相電路的電壓增益高達93.4。研究人員利用二維原子晶體材料良好的力學(xué)柔韌性，將該異質(zhì)結(jié)放置于柔性襯底，在柔性襯底施加高達~2 %的應(yīng)變時，相應(yīng)的場效應(yīng)晶體管的器件性能并未發(fā)生明顯退化，這顯示出該異質(zhì)結(jié)在柔性電子學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果以InSe/h-BN/graphiete heterostructures for high-performance 2D electronics and flexible electronics為題，發(fā)表在Nano Res. 13, 1127-1132 (2020)上。 qU ESN!  
YX||\  
基于InSe與h-BN間的原子級銳利界面特性，該團隊聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉麗和鮑麗宏等進一步利用有機透明鐵電薄膜作為柵介質(zhì)，構(gòu)筑出高性能InSe光電探測器。與傳統(tǒng)柵介質(zhì)相比，鐵電柵介質(zhì)具有較高的相對介電常數(shù)（~10³），利用其自發(fā)極化特性，有望深度耗盡半導(dǎo)體溝道中的剩余載流子，從而抑制光電探測器的暗電流，提高光電探測器的光開關(guān)比、光響應(yīng)率等性能。研究人員使用透明鐵電P（VDF-TrFE）共聚物薄膜作為頂柵介質(zhì)、半透明鋁膜作為頂柵電極、InSe作為溝道、h-BN作為襯底，制作了InSe光電探測器（圖1）。多層InSe溝道在鐵電P（VDF-TrFE）調(diào)制下的轉(zhuǎn)移曲線中存在一個~40 V的逆時針存儲窗口，這是鐵電極化轉(zhuǎn)換過程引起的。溝道電流（IDS）隨頂柵電壓（Vtg）增加而增加，表明InSe溝道是典型的n型導(dǎo)電，電流的開/關(guān)比高達~10⁸（圖2 a-b）。InSe 晶體管在鐵電P（VDF-TrFE）薄膜三種極化狀態(tài)調(diào)制下的輸出特性表明，載流子在極化向上狀態(tài)下完全耗盡，其溝道電流IDS最小，使其暗電流低至~10^-14 A，且溝道電流主要來自光生載流子的貢獻（圖2c）。對于自然狀態(tài)和極化向下狀態(tài)，溝道電流不僅來源于光激發(fā)載流子，熱離子/隧穿載流子也做出了較大貢獻（圖3）。鐵電頂柵處于極化向上狀態(tài)時，光電流Iph與激光功率之間呈冪律關(guān)系：I_ph ∝ P^0.44，表明光生載流子的效率與吸收的光子通量非線性相關(guān)，也反映出復(fù)合過程（陷阱態(tài)）產(chǎn)生的光生載流子的損耗。在激光功率0.04 mW/cm^-2下，光響應(yīng)率高達14250 AW^-1，探測率高達1.63×10¹³ Jones，比此前的文獻報道提高了兩個數(shù)量級。InSe光電探測器的光電流開關(guān)的上升時間（t_r）和下降時間（t_f）分別為600 μs和1.2 ms，均優(yōu)于此前報道的基于其他二維原子晶體的鐵電柵控光電探測器（圖4）。該研究提出了一種利用鐵電柵介質(zhì)以調(diào)控二維原子晶體光晶體管的載流子電子輸運的新方法，有效抑制了其暗電流，解決了當(dāng)前二維原子晶體光探測器的光開關(guān)比和光響應(yīng)率小的問題，為未來基于二維原子晶體光電探測器的開發(fā)提供了新途徑。 XaFu(Xu7  
QfLDyJv`e  
　　圖2.鐵電柵控的InSe晶體管室溫下在黑暗環(huán)境中的電學(xué)特性。（a）以P（VDF-TrFE）為鐵電頂柵電介質(zhì)的InSe晶體管在V_DS=100 mV時的轉(zhuǎn)移曲線。（b）對數(shù)標(biāo)度，從-40 V到40 V的雙掃觀察到 ~40 V的大逆時針存儲窗口。（c）在零柵極電壓下，具有三種狀態(tài)鐵電薄膜的InSe FET的輸出特性 k91ctEp9>  
　　圖3.零柵極電壓下，多層InSe光電晶體管在鐵電P（VDF-TrFE）層的三種極化狀態(tài)下的光響應(yīng)特性。（a-c）在V_DS=0 V下具有三種不同鐵電極化狀態(tài)的InSe光電晶體管的截面圖。（d-f）在三種狀態(tài)下，黑暗和光照時光電晶體管的I_DS-V_DS特性。（g-i）鐵電柵控的InSe光電探測器在三種狀態(tài)下的光開關(guān)特性 'o%IA)sF  
　　圖4.鐵電柵控的InSe光電探測器在極化向上狀態(tài)下的光響應(yīng)特性。（a）光電晶體管的I_DS-V_DS行為。（b）光照功率依賴的光電流。（c）InSe光電探測器的響應(yīng)率和探測率。（d-f）InSe光電晶體管在極化向上狀態(tài)下的時間分辨光開關(guān)行為 (X!?#)fyn  
:?!kZD!  
相關(guān)研究成果以Ferroelectric-Gated InSe Photodetectors with High On/Off Ratios and Photoresponsivity為題，發(fā)表在Nano Lett. 20, 6666-6673 (2020)上。劉麗為論文第一作者，鮑麗宏和湖南大學(xué)教授秦志輝為論文的共同聯(lián)系作者，美國Vanderbilt University教授Sokrates T. Pantelides等是該研究的合作者。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中科院的支持。