以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
研究背景
由于原子厚度上量子限制所具有的独特的光电性质，2D半导体作为下一代功能光电子器件的独特组件受到了相当大的关注。随着2D半导体技术的飞速发展，金属-半导体界面接触问题日益严重，严重影响了2D半导体光电器件的性能。然而，大多数2D半导体相关的光电器件仍然使用3D金属作为电极，通常是贵金属，如Au，Pt和Pd。在传统的金属沉积过程中，蒸发的金属原子或金属团簇具有很高的撞击能量，它们对接触区域的反复轰击会引起相当大的界面损伤和破坏，在2D半导体上形成大量的晶格缺陷。在光探测器件中，这种无序界面作为陷阱、散射和复合中心，严重阻碍了光生载流子的输运和提取。为了构建原子级清洁的2D半导体-金属界面并解决上述挑战，已经实施了许多策略。一种方法是通过金属转移技术构建范德华(vdW)接触，该技术允许根据所使用金属的功函数调节肖特基势垒。遗憾的是，这种方法容易受到大气污染，需要恶劣的惰性气体处理环境，从而增加了制造的复杂性。
成果介绍
有鉴于此，近日，广东工业大学郑照强教授和华南师范大学李京波教授（共同通讯作者）等报道了利用拓扑Bi2Se3电极，实现了无缺陷的范德华接触。这种清洁且原子级锐利的接触避免了界面上光生载流子的消耗，与直接沉积金属电极的对应器件相比，能够显著提高灵敏度。一般情况下，2D WSe2沟道器件实现了20.5 A W-1的高响应率，2.18×1012 Jones的优秀探测率和41.66/38.81 ms的快速上升/衰减时间。此外，本文还展示了WSe2器件的高分辨可见光成像能力，表明其在未来光电系统中具有广阔的应用前景。更令人振奋的是，该拓扑电极普遍适用于其他2D半导体沟道，包括WS2和InSe，表明其具有广泛的适用性。这些结果为高性能电子学和光电子学的发展打开了迷人的机会。文章以“Integration of Self-Passivated Topological Electrodes for Advanced 2D Optoelectronic Devices”为题发表在著名期刊Small Methods上。
图文导读
图1. BWB光电探测器的示意图和结构性质。（a）器件结构示意图。（b）BWB器件的光学图像。（c）WSe2、Bi2Se3和Bi2Se3/WSe2异质结的拉曼光谱。（d&e）AFM图像。（f）同步测量的KPFM图像，Bi2Se3与WSe2的电位差为12 mV。（g）Bi2Se3/WSe2界面的高分辨TEM横截面图像和EDS元素成像。
图1a显示了BWB器件的示意图和电学连接。图1b显示了该器件的光学图像。BWB结构的拉曼光谱如图1c所示。在WSe2和Bi2Se3中发现了典型的拉曼峰，这些峰的位置与之前的报道一致，表明在剥离和转移过程后的薄片质量较高。在重叠区域WSe2的拉曼峰几乎消失，这可以归因于Bi2Se3的厚度大于激发激光的穿透深度。AFM测量结果如图1d和e所示，显示WSe2和Bi2Se3的厚度分别为40 nm和110 nm。Bi2Se3/WSe2界面处的KPFM图像如图1f所示，Bi2Se3和WSe2之间的费米能级差(ΔEf)低至12 meV。因此，由不均匀性引起的能量势垒比光生载流子的动能低几个数量级。此外，Bi2Se3表面电位的均方根值低至2.3 mV，这也通过降低非均匀散射电位，促进了光生载流子在异质界面上的输运。在WSe2/Au界面上，2D非均匀晶格的形成不仅严重抑制了光电子器件沿结的垂直载流子输运，而且引入了费米能级钉扎现象。相比之下，如图1g所示，WSe2/Bi2Se3界面干净、完整，没有结构畸变。此外，这些图像中两种不同材料之间的间距几乎与WSe2的原生vdW结构难以区分，这表明WSe2/Bi2Se3界面是vdW接触。各层组成元素分布均匀，边界清晰，未观察到元素扩散，进一步证明了制备的Bi2Se3/WSe2界面的纯净度。这种干净的Bi2Se3/WSe2接触界面可以忽略费米能级钉扎，并提供由功函数差决定的近理想肖特基势垒高度。
图2. BWB光电探测器的光响应。（a）BWB器件的光谱响应率。（b）在黑暗和405 nm光照射下的电流密度-电压曲线。（c）BWB和WSe2器件在-0.2 V电压下的功率依赖性光电流密度。（d）在偏置电压为-0.2 V时405 nm激光周期性照射(0.11~12.59 mW cm-2)下的I-t图。（e）器件在-0.2 V电压下的响应时间。（f）-0.2 V电压时不同光强度下的R和D*。（g）BWB器件的R和D*与其他2D材料光电探测器的比较。（h）BWB器件200次循环的光开关曲线。
然后，对BWB光电探测器和相应具有Ti/Au电极的WSe2器件的光电性能进行了系统的表征和比较。BWB器件在不同光激发下的归一化响应如图2a所示，在可见光到近红外区域表现出光响应。在742 nm处观察到一个光响应峰，接近多层WSe2的A激子吸收(≈760 nm)。与WSe2器件相比，BWB器件在短波区表现出更高的灵敏度。由于Bi2Se3薄片的光响应可以忽略不计，这种现象可能是由于Bi2Se3与WSe2之间的强耦合效应。图2b对比了两个器件在黑暗和光照下的电流密度-电压曲线。有趣的是，BWB器件的光电流密度比WSe2器件高一个数量级，而暗电流密度较低。在偏置电压为-0.2 V时，提取光电流密度(Iph)，如图2c所示。在相同光照下，BWB器件的Iph远高于WSe2器件。对于BWB器件，功率强度(P)依赖的Iph遵循一个简单的幂律方程(Iph∝P1.02)。对于WSe2器件，P依赖的Iph对于弱光Iph∝P1.11，对于强光Iph∝P0.56。一方面，BWB器件的指数因子接近于1，说明光电流的产生主要由光电导效应主导；另一方面，传统WSe2器件中指数因子的不均匀性揭示了更多的缺陷影响光生载流子的输运。图2d显示了不同功率强度405 nm光照下BWB器件的电流随时间变化曲线(I-t)。很明显，该器件对开灯和关灯有明确的反应。光响应的重复性和稳定性优于WSe2器件。时序光响应如图2e所示。BWB器件的上升时间(τrise)和衰减时间(τdecay)分别为41.66 ms和38.81 ms，略快于常规WSe2器件(49.56/47.08 ms)。图2f描述了405 nm光照下光强度依赖的R和D*。BWB器件的响应率为1.86 A W-1，探测率为2.79×1011 Jones，明显优于WSe2器件(0.26 A W-1和5.07×1010 Jones)。图2g总结了BWB器件和其他报道的2D材料光电探测器的R和D*。总体而言，BWB的器件参数与其他器件相比具有竞争力。值得注意的是，BWB器件兼容各种优化方案，如介电工程和异质结工程，表明光电探测性能可以进一步提高。图2h为周期光照下BWB器件的归一化时间分辨光开关曲线。可以看到，200个光开关周期是可逆的，没有明显的恶化，证明了这种BWB光电探测器的优秀稳定性。
图3. 自钝化Bi2Se3电极的工作机理。（a&b）黑暗和光照条件下WSe2与金属接触的能带。（c&d）黑暗和光照条件下WSe2与Bi2Se3接触的能带。
如图3a所示，Ti/Au-WSe2系统表面发生畸变，导致致密缺陷态和中间间隙态的形成。在黑暗中，这些中间间隙态的自由载流子热发射导致了高暗电流。此外，这些界面上的中间间隙态诱导化学相互作用，导致费米能级钉扎(FLP)。对于Bi2Se3-WSe2系统，如图3c所示，接触界面电子级尖锐和原子级清洁，可以最大限度地减少暗电流源并降低费米能级。在光照下，如图3d所示，大量的电子-空穴对被激发。在外部电场的驱动下，这些电子和空穴以相反的方向分离。对于Ti/Au-WSe2系统，接触界面内的缺陷态和中间间隙态由于其俘获、散射和复合效应会导致光生载流子的消耗。因此，有效光生载流子的提取效率和速度大大降低，不仅响应率和可靠性变差，而且延长了响应时间。对于Bi2Se3-WSe2系统，接触界面无悬键且原子级锐利，低肖特基势垒高度使得光生载流子可以在WSe2和Bi2Se3之间畅通无阻地流动(图3d)。因此，显著抑制了光生载流子的消耗，实现了理想的光电导效果。
图4. 柔性BWB器件的结构特性和光响应。（a）不同角度弯曲的PI衬底上制作的BWB器件的照片。（b）在0.4 V偏置、12.59 mW cm-2的405 nm光照射下，不同角度弯曲下柔性器件的归一化光电流分布。
然后，为了揭示Bi2Se3电极的费米能级去耦合效应，通过类似的器件制造过程在柔性PI衬底上制备了BWB器件。图4a给出了不同弯曲状态下柔性BWB器件的光学图像。当器件从水平弯曲到负角度弯曲时，光电流曲线由线性变为非线性，表明Bi2Se3-WSe2结的肖特基势垒高度(ΦSB)在负角度弯曲时增大。2D材料的弯曲可以诱发局部面内应变，控制电荷局部化，改变能带结构。因此，Bi2Se3-WSe2结的ΦSB在弯曲时发生变化。这种肖特基势垒和内建电场可以加速光生载流子的分离，有利于产生高光电流。图4b显示了在0.2 V偏置下不同角度弯曲柔性BWB器件的归一化光电流分布。负角度弯曲下器件的光电流明显增强，这与器件的ΦSB增加是一致的。
图5. BWB器件的成像能力。（a）成像测量系统的示意图。（b）405 nm光照射下“GDUT”的电流成像。（c）532 nm光照下的电流成像。
由于BWB器件在可见光区域具有较高的光敏性，因此在图像传感方面具有很大的应用潜力。为了充分发挥BWB器件的功能，通过单像素扫描成像系统进一步开发了其成像能力。图5a给出了测量系统的实验装置，采用405和532 nm激光作为入射光，BWB器件作为传感像素。图5b和c显示了使用405和532 nm获得的图像。可以清晰地观察到大对比度的清晰图像，显示了BWB器件强大的成像能力。
图6. 自钝化Bi2Se3电极的普适性。（a&d）BSB器件和BIB器件的光学图像。（b&e）BSB器件与常规Ti/Au电极的WS2器件的电流密度-电压曲线对比，BIB器件与常规Ti/Au电极的InSe器件的电流密度-电压曲线对比。（c&f）BSB器件和BIB器件的响应时间。
为了验证自钝化Bi2Se3电极的多功能性，Bi2Se3薄片被干法转移到其他2D材料沟道上，构建Bi2Se3/WS2/Bi2Se3(BSB)和Bi2Se3/InSe/Bi2Se3(BIB)光电探测器。BSB和BIB器件的光学图像分别如图6a和d所示。从图6b可以看出，BSB器件的光电流密度比常规WS2器件高一个数量级，而暗电流密度与常规WS2器件相似。BSB器件的响应率为0.82 A W-1，探测率为5.22×1011 Jones，比传统WS2器件(0.081 A W-1和4.41×1010 Jones)提高了一个数量级。这种优化的光电探测性质也可以归因于vdW接触，这使得光生载流子的传输畅通无阻。与WSe2和WS2器件类似，Bi2Se3电极的InSe器件也表现出更高的光电流密度(图6e)和更短的响应时间(图6f)。这些结果证明了这种自钝化拓扑电极在优化光电器件性能方面的广泛适用性。
总结与展望
本文报道了利用Bi2Se3电极来构建干净的vdW接触，并将其用于构建基于2D半导体的高性能光电探测器。由于接触界面无缺陷且原子级锐利，光生载流子可以无阻碍地流动，避免了界面处的物理和化学相互作用，实现了出色的光电探测性能。本文构建的WSe2沟道器件具有20.5 A W-1的高响应率，2.18×1012 Jones的优良探测率，41.66/38.81 ms的快速上升/衰减时间。这些数值比直接沉积Ti/Au电极的传统WSe2器件好得多。通过将WSe2器件作为单个像素，演示了高分辨可见光成像能力。此外，在其他2D材料沟道(包括WS2和InSe)中的成功应用，显示了这些自钝化拓扑电极的广泛通用性。这些结果表明了一种构建高性能光电探测器的创新方法，为下一代光电子器件带来了前景。
文献信息
Integration of Self-Passivated Topological Electrodes for Advanced 2D Optoelectronic Devices
(Small Methods, 2023, DOI:10.1002/smtd.202201571)
文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202201571
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