以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
研究背景
2D材料由于其独特的界面特征和相互作用，不断揭示出惊人的物理和功能。2D Janus材料具有不同的原子种类，近年来引起了越来越多的研究兴趣。Janus界面是指将不同的材料组合在一个系统的上下界面上，揭示了流体力学、材料生长和界面物理领域的许多互补和协同性质。然而，Janus界面工程的概念尚未广泛应用于2D器件。2D半导体具有简单的垂直集成、高效的载流子调制以及与CMOS良好兼容性等优点，是多功能光电器件应用的重要材料平台。例如，它们被认为是设计高灵敏度光电晶体管的最有前途的材料之一，这种晶体管可以通过读取电信号来探测微弱的光信号。弱光的敏感探测技术在国防系统、光学成像、健康监测、科学研究等领域具有广阔的应用前景。到目前为止，2D半导体基器件的灵敏度仍有待提高，以实现实际应用。一个主要原因是它们的弱光吸收，这主要是由于它们的原子厚度。因此，将2F半导体应用于弱光探测领域仍然是一个重大挑战。
成果介绍
有鉴于此，近日，南京工业大学王琳教授和聊城大学秦书超副教授（共同通讯作者）等利用Janus界面工程设计了一个2D杂化光电晶体管，其中WSe2沟道结合了光敏钙钛矿和自发极化铁电体，实现了集体超灵敏探测性能。顶部钙钛矿(BA2(MA)3Pb4I13)层能有效吸收光，为WSe2提供大量的光激发空穴。由于选择性光操作掺杂效应，WSe2表现出不同程度的p型半导体状态，这也使得器件具有超高的光电流。底层铁电层(Hf0.5Zr0.5O2)显著降低了暗电流，这应归因于铁电极化辅助的电荷俘获效应和栅极控制的改善。总体而言，本文的光电晶体管在紫外到近红外范围(360~1050 nm)表现出优异的光电性能，包括>109的超高开/关电流比和1.3 fW/Hz1/2的低噪声等效功率，所有这些都在2D半导体基光电器件中具有很强的竞争力。特别是，该器件表现出优异的弱光探测能力，即使在创纪录的低光强度(1.6 nW/cm2)下也能获得可识别的光开关信号，同时显示出2.3×105 A/W的高响应率和4.1×1014 Jones的比探测率。本文的工作证明，Janus界面设计使上下界面相互补充，共同推进到高性能光电应用，为实现光照、电场、界面俘获和能带排列的载流子动力学集成工程提供了新的方法。文章以“Boosting the Sensitivity of WSe2 Phototransistor via Janus Interfaces with 2D Perovskite and Ferroelectric Layers”为题发表在著名期刊ACS Nano上。
图文导读
图1. Janus界面设计及特性。（a）Janus界面WSe2光电晶体管的结构示意图，顶部的光收集钙钛矿层和底部的铁电HZO层位于栅极介电堆叠中。（b）典型Janus界面BA/WSe2/HZO器件的光学显微镜照片。（c）BA/WSe2/HZO异质结的能带排列。（d-f）BA/WSe2/HZO和BA/WSe2/SiO2在405 nm光照下的转移曲线，以及Vds=0.5 V时BA/WSe2/HZO在不同功率688 nm光照下的转移曲线。
图1a给出了具有垂直配置的器件的Janus界面设计，旨在实现强界面耦合、高效电荷转移和易于栅极控制。2D WSe2的两侧分别与光敏钙钛矿层和自发极化铁电层相连接。考虑到与2D材料和CMOS技术的良好兼容性，选择WSe2下的HZO(Hf0.5Zr0.5O2)作为铁电和栅极介质层。通过ALD可以简单地在衬底上制备大面积均匀的HZO薄膜(~20 nm厚)。多层WSe2通常比单层WSe2具有更高的迁移率和电流密度，被选为连接两个转移Au电极的2D电导沟道。2D层状结构BA钙钛矿((C4H9NH3)2(CH3NH3)n-1PbnI3n+1,n=4)具有640~680 nm的强吸收，大部分与WSe2重叠，是为WSe2提供大量光激发载流子的良好候选。通过机械剥离WSe2和BA钙钛矿薄片，获得了良好的晶体质量和容易的异质结组装。整个Janus界面器件采用绝缘h-BN封装，确保环境稳定性。典型器件的光学图像如图1b所示。
首先描述了Janus界面WSe2(BA/WSe2/HZO)光电晶体管在不同功率光照下的转移曲线(图1d)。首先，在黑暗条件下，对应n型(p型)沟道，器件表现出明显的双极性特性和顺时针(逆时针)迟滞行为。这种迟滞现象应该归因于WSe2/HZO界面上极化辅助的俘获机制，而不是铁电极化本身。p型和n型的迁移率分别为56.7 cm2/(V s)和13.6 cm2/(V s)。值得注意的是，这种Janus界面器件的暗电流可以降低到10-14 A。其次，在405 nm的光照下，器件表现出较大的光电流变化和明显的阈值偏移。随着光功率的进一步提高，器件的输运行为逐渐由双极性向空穴主导演变，最终在61 nW功率水平变为纯p型半导体状态。这可以简单地解释为，在光照下，从BA到WSe2跨II型能带排列的大量空穴流，如图1c所示。与广泛使用的化学掺杂或静电掺杂相比，这种光操作掺杂方法的不同之处在于：(1)它可以多次重构，在几分钟内恢复到初始状态；(2)光可以根据波长、频率、功率等进行调节，带来不同的操作自由度。为了区分BA层和HZO层各自的作用，进行了几个对照实验。如图1e所示，BA/WSe2/SiO2器件也表现出明显的迟滞和光响应行为，这表明BA提供了严重的界面陷阱，并有效地向WSe2转移电荷。然而，纯p型跃迁所需的光功率(1.2 μW)远高于BA/WSe2/HZO器件。值得注意的是，暗电流比BA/WSe2/HZO器件高了几个数量级，这与之前报道的由2D材料和钙钛矿、有机分子等其他材料组成的异质结是一致的。这种杂化系统带来了很高的增益，但不可避免地会形成漏电通路和不希望出现的无序，导致暗电流大，栅极控制降低。BA/WSe2/HZO和WSe2/HZO器件都有极低的暗电流，而BA/WSe2/SiO2器件没有，这表明HZO层在抑制载流子和电流波动方面起着决定性作用。这是因为与其他常见衬底相比，HZO不仅具有较大的介电常数和可以忽略不计的泄漏通道，而且还通过铁电极化辅助的电荷俘获有效地消耗WSe2沟道中的载流子。当BA/WSe2/HZO器件被只能激发WSe2而不能激发BA的688 nm光照射时(图1f)，即使在非常高的光功率下，光响应也变得不那么明显。
图2. Janus界面WSe2光电晶体管的探测机制。（a，c，e）Janus界面WSe2光电晶体管在零、正、负栅极电压下的工作机理。（b）Vg=0、Vds=0.5 V下不同器件配置的WSe2光电晶体管的光响应总结。（d&f）Janus界面WSe2光电晶体管在Vg=3 V和Vg=-3 V下的光响应。（g）频率依赖的光电流调节特性。（h）在405 nm光照下，在不同偏置电压下扫描光电流图像。
图2很好地揭示了Janus界面光电晶体管的工作机理，其性能由BA光激发载流子转移的集体效应、HZO的铁电静电场以及铁电极化辅助的电荷俘获效应决定。2D WSe2活性沟道中的可控载流子动力学是光电晶体管工作的关键过程，可由光照的活性BA和电场敏感的HZO分别调制。如前所述，BA的主要作用相对简单，它为WSe2提供了足够的光激发空穴，导致了明显的光电流和不同程度的p型跃迁。由于光激发载流子的有效空间分离，BA和WSe2之间的II型能带排列有助于优化光增益。HZO对WSe2的影响随栅极电压的不同而不同。因此，本文研究并比较了在不同栅极电压下的光响应行为。不施加Vg(图2a)，本征铁电极化开关对WSe2电导调谐的影响应该是微弱的。因此，HZO的主要作用是通过界面态调节WSe2的电荷动力学。在405 nm的光照下，BA钙钛矿向WSe2转移了大量空穴。在这种情况下，HZO会由于大量的氧空位而在界面处俘获和耗尽WSe2的大量电子，形成光浮栅机制，导致其超高的响应度和较慢的响应时间。这与光“开”后光电流不断增大而无饱和相符合(图2b)。相反，BA/WSe2/SiO2、WSe2/HZO在405 nm光照下和BA/WSe2/HZO在688 nm光照下的对照样品在“光开”条件下光电流保持不变。这清楚地表明，大的非饱和光电流是HZO和光激发BA的共同作用。此外，发现这种现象可以通过调节栅极电压(图2d)或施加高频光(图2g)来减弱或消除。
当施加正Vg时(图2c)，HZO中的铁电极化沿外加电场方向向上。向上的铁电极化可以在界面处俘获电子并在WSe2中诱导空穴，这与静电场的电子掺杂效应相反。当图2d中Vg足够大时(例如Vg=3 V)，由于光激发空穴从BA转移，铁电极化辅助的界面电子被俘获，静电场诱导的电子被抵消，从而产生低光电流。当施加负Vg时(图2e)，由于静电场诱导空穴和光激发空穴的共同作用，WSe2始终处于空穴优势。结果，暗电流和光电流都保持较高，如图2f所示。图2h中的高分辨空间光电流成像进一步证实了光电流产生机制。在零偏置下，在两个电极附近出现了明显相反方向的光电流，这意味着对光响应的贡献是光伏效应。这是因为在WSe2/Au界面上，光生电子-空穴对被肖特基势垒和内建势垒横向分离。图2h描述了在不同栅极电压下记录的扫描Iph。当Vg=0时，光电流集中在沟道区域。顶部的钙钛矿和底部的HZO都为WSe2沟道提供了界面陷阱，协同导致增强的光浮栅效应，从阈值偏移确定。当Vg=-2 V时，由于WSe2的p型半导体特性，Iph比Vg=0时大得多。如上所述，通过静电栅极掺杂的电子与WSe2沟道中的空穴相当，导致Iph显著降低。
图3. WSe2光电晶体管的优点图。（a）光电流与栅极电压和光功率的关系。（b）不同光功率下响应率R与栅极电压的关系。（c）不同构型WSe2光电晶体管的R值比较。（d）不同栅极电压和光功率下的EQE值。（e&f）不同栅极电压下对应的噪声电流谱密度和探测率。（g）Vds=0.1 V的弱光功率下BA/WSe2/HZO器件的时间分辨光响应。（h）阈值光强比较。
在了解Janus界面器件的工作机制后，进一步研究了超灵敏光电晶体管的其他优点。在405 nm光照下，计算出的Iph随入射激光功率和栅极电压的变化如图3a所示。BA/WSe2/HZO器件响应率随栅极电压和光功率的变化曲线如图3b所示。在1.8 nW强度下，最大R可达13500 A/W，在目前报道的WSe2光电晶体管中处于前列。图3c比较了不同类型器件在相同测量条件下的响应率。与BA/WSe2/SiO2、WSe2/HZO和WSe2/SiO2相比，BA/WSe2/HZO器件的响应率最好。在BA/WSe2/HZO器件中，EQE最大可达4.2×106%。超高的响应率、增益和EQE都可以归因于增强的光浮栅效应和高效的电荷转移，这是由HZO和BA的两个不同界面引起的。如图3e所示，当Vg=0时，NEP估计为1.3 fW/Hz1/2，比商用硅光电二极管(30 fW/Hz1/2)低1个数量级。此外，Janus界面器件的探测能力得到了极大的增强，在图3f中达到了2×1013 Jones(Vg=0时)的最佳值，远高于目前报道的WSe2光电晶体管(≈1011~1012 Jones)。Janus界面WSe2光电晶体管所有上述参数的优越值，特别是高响应率和低噪声功率之间的良好平衡，激发了器件在弱光探测中的能力。如图3g所示，在Vg=0,Vds=0.1 V的测试条件下，器件在低至1.6 nW/cm2的超弱光强下仍表现出明显的光响应，R为2.3×105 A/W，D*为4.1×1014 Jones。图3h总结了2D半导体基光电探测器领域中阈值光强的竞争值，其中本文的器件是最好的。该器件在弱光探测能力方面的出色表现主要来自于垂直的Janus界面器件架构，结合了上部分钙钛矿为WSe2提供了大量的光激发空穴，下部分铁电薄膜显著抑制暗电流。
图4. 宽带光谱光电探测。（a）响应率R与375 nm、405 nm、520 nm、785 nm和808 nm波长入射光功率的关系。（b）Janus界面WSe2光电晶体管从UV到NIR波段的光谱R和吸收。（c）BA和WSe2吸收边以外光响应机理的示意图。（d）2D半导体基光电晶体管的光谱R与响应波长的关系。
进一步探索了BA/WSe2/HZO器件在宽谱探测方面的能力。在375 nm、405 nm、520 nm、785 nm和808 nm光照下的汇总R绘制在图4a中。如图4b所示，在覆盖紫外(UV)、可见光(Vis)和近红外(NIR)波长(360~1050 nm)的整个光谱范围内的良好灵敏度进一步证明了其出色的性能。值得一提的是，器件响应率值的变化趋势与BA/WSe2异质结的吸收是一致的。在BA钙钛矿和WSe2吸收边缘之外的近红外区域，光响应应该来自任何组成材料内部或界面处(图4c)。在图4d中总结并比较了不同探测波长的响应率。一般情况下，基于WSe2及其异质结的光电器件通常响应率低，对可见光波长的探测范围有限。由此可见，除了宽的光谱探测范围外，本文的器件在所有波长上都表现出超高的R值(在1.6 nW和405 nm处最大R值为2.3×105 A/W)，突出了Janus界面设计在未来光电电路中的广阔前景。
总结与展望
本文利用Janus界面工程，设计一个2D杂化光电晶体管，其中WSe2沟道结合了高光活性钙钛矿和自发极化铁电体。这种Janus界面光电晶体管在弱光探测中表现出超灵敏的性能，这是由于高可靠性和低噪声功率之间的良好平衡，这两种特性在单一材料或界面中很难同时实现。顶部BA钙钛矿在光照下为WSe2提供了大量的空穴，并且在II型界面带排列上有效地分离了光生载流子，从而使WSe2具有超高的光响应率和选择性p型光掺杂。利用铁电HZO薄膜作为底栅介质，可以通过铁电极化辅助的电荷俘获效应显著抑制暗电流。通过Janus界面设计，本文的器件可以实现>109的超高开/关比和1.3 fW/Hz1/2的低噪声等效功率。重要的是，该器件可以响应创纪录的低光脉冲强度，低至1.6 nW/cm2，产生2.3×105 A/W的超高响应率和4.1×1014 Jones的探测率。本文的结果表明，Janus界面设计的器件概念为2D层状半导体的高分辨光探测提供了一种有前途的策略。
文献信息
Boosting the Sensitivity of WSe2 Phototransistor via Janus Interfaces with 2D Perovskite and Ferroelectric Layers
(ACS Nano, 2022, DOI:10.1021/acsnano.2c09284)
文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c09284
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