Photonics Research2024年第4期Editors’ Pick：

Shulin Sha, Kai Tang, Maosheng Liu, Peng Wan, Chenyang Zhu, Daning Shi, Caixia Kan, Mingming Jiang. High-performance, low-power, and flexible ultraviolet photodetector based on crossed ZnO microwires p-n homojunction[J]. Photonics Research, 2024, 12(4): 648

氧化鋅（ZnO）作為一種直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，因其較大的激子束縛能、良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、無(wú)毒性以及易于制備等特性，被認(rèn)為是最有前景的用于同質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器的半導(dǎo)體材料之一。盡管如此，基于ZnO的同質(zhì)結(jié)探測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，制備p型ZnO材料的難度較大，而柔性ZnO基同質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)與制備也存在技術(shù)上的問(wèn)題，這些都需要通過(guò)方案的進(jìn)一步優(yōu)化和深入的研究提升器件的性能和可靠性。

南京航空航天大學(xué)闞彩俠教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的基于交叉型ZnO微米線的p-n同質(zhì)結(jié)器件。這些微米線通過(guò)Sb和Ga的精確摻雜實(shí)現(xiàn)了p型和n型的載流子傳輸特性，具有高結(jié)晶質(zhì)量，為器件優(yōu)異的探測(cè)能力奠定了基礎(chǔ)。該同質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器展現(xiàn)了最高可達(dá)2.6 A/W的響應(yīng)率和高至6.3×1013Jones的比探測(cè)率。此外，這種器件還被成功集成到柔性陣列中，展示了卓越的高分辨率單像素成像能力。這項(xiàng)研究成果為開(kāi)發(fā)低功耗、柔性和高度集成的低維ZnO基同質(zhì)結(jié)紫外光電器件開(kāi)辟了一條新途徑。

——王琳教授，南京工業(yè)大學(xué)

Photonics Research青編委

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)輕質(zhì)、低功耗、便攜式可穿戴設(shè)備的需求日益增加，為柔性光電探測(cè)器的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了廣闊的市場(chǎng)前景。這類探測(cè)器通常具有高度的靈活性和便利性，可以在不同的曲面和形狀上保持良好的性能，提供更為舒適和實(shí)用的用戶體驗(yàn)。為了能夠普遍應(yīng)用于智能可穿戴電子設(shè)備，柔性光電探測(cè)器未來(lái)可能會(huì)更加注重集成化和智能化，將大量傳感器集成到各種形式的可穿戴系統(tǒng)中。因此，實(shí)現(xiàn)多個(gè)探測(cè)器的集成化和小型化顯得尤為重要。隨著材料科學(xué)和微納技術(shù)的進(jìn)步，柔性光電探測(cè)器的尺寸和重量有望進(jìn)一步減小，使其更適用于小型化和便攜化的設(shè)備。

ZnO微納結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于構(gòu)筑光敏、通訊、可穿戴設(shè)備以及折疊屏等多個(gè)領(lǐng)域，但在ZnO基p-n同質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器方面，研究者們?nèi)悦媾R一些挑戰(zhàn)。例如，穩(wěn)定的p型ZnO材料的制備依然是世界性的難題，目前報(bào)道的紫外光電探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)都是采用n型ZnO材料與其他p型材料構(gòu)建異質(zhì)節(jié)，受限于剛性襯底無(wú)法彎曲和具有較大脆性的劣勢(shì)，很難滿足復(fù)雜、苛刻的實(shí)際環(huán)境需求。而ZnO微米線不僅具有優(yōu)異的紫外吸收特性和高彈性模量，且擁有成本低、收率高、結(jié)晶度好以及合成方法可控等優(yōu)點(diǎn)，因此，它被視為構(gòu)建微型化、集成化和柔性的紫外光電探測(cè)器極具潛力的候選材料之一。

為了促進(jìn)ZnO柔性集成光電器件的發(fā)展，南京航空航天大學(xué)闞彩俠教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種微型、柔性、可集成的交叉型ZnO微米線p-n同質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器。該器件在-0.1 V、360 nm的光照下工作時(shí)，表現(xiàn)出了優(yōu)異的紫外光電探測(cè)能力，包括~ 2.6 A/W的最大響應(yīng)率、~ 6.3×1013Jones的比探測(cè)率、4.8×10-15W?Hz-1/2的噪聲等效功率和~ 7.8%的良好光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，其上升/衰減時(shí)間（~ 0.48 ms/79.41 ms）也體現(xiàn)了該器件卓越的光響應(yīng)速度。相關(guān)研究成果發(fā)表于Photonics Research2024年第4期。

該團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）成功合成了ZnO摻Sb（ZnO:Sb）和ZnO摻Ga（ZnO:Ga）的微米線，單根線的場(chǎng)效應(yīng)晶體管分別表現(xiàn)出了p型和n型的載流子傳輸特性，將其成功用于構(gòu)筑交叉型ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線同質(zhì)結(jié)器件，器件的結(jié)構(gòu)如圖（a）所示。該器件展現(xiàn)出的優(yōu)異整流特性說(shuō)明ZnO:Sb和ZnO:Ga微米線之間形成了高質(zhì)量的同質(zhì)結(jié)，如圖（b）所示。恒功率條件下不同光波長(zhǎng)測(cè)試的結(jié)果表明，該器件在-0.1 V反向偏壓下對(duì)紫外光具有明顯的光響應(yīng)行為，并且在360 nm波長(zhǎng)處表現(xiàn)出最大的光響應(yīng)電流。隨后，將未封裝的ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線同質(zhì)結(jié)器件暴露在360 nm紫外光的連續(xù)照射環(huán)境下，器件的峰值光電流僅有微小波動(dòng)，如圖（c）所示，在存儲(chǔ)60天后（室溫為25℃，濕度為45%），器件仍能維持90%以上的光電流響應(yīng)，表明該器件結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)周期穩(wěn)定工作的能力。

(a) ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線結(jié)構(gòu)示意圖；(b) ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線器件在暗場(chǎng)下的電流-電壓特性曲線；(c) 器件在−0.1 V偏置和360 nm光持續(xù)照射下的歸一化光電流強(qiáng)度（插圖是器件在不同儲(chǔ)存時(shí)間后的光電流變化）；(d) 單像素掃描成像測(cè)量平臺(tái)示意圖（插圖是p-n同質(zhì)結(jié)陣列的光學(xué)顯微照片，標(biāo)尺：100 μm）；(e) 柔性ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線器件陣列示意圖；(f) 柔性ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線器件陣列單元的“MW”成像結(jié)果；(g)成像的第十二個(gè)像素的光電流波形；(h) 成像全像素的平均光電流以及對(duì)應(yīng)信噪比。

該團(tuán)隊(duì)基于制備的ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線同質(zhì)結(jié)探測(cè)器，在PET基板上成功構(gòu)筑了柔性陣列單元，如圖（e）所示。在對(duì)其進(jìn)行不同彎折角度和彎折次數(shù)的測(cè)試后，該柔性陣列單元的光響應(yīng)性能仍然可以維持在80%以上。再將構(gòu)建的柔性陣列單元集成到如圖（d）所示的實(shí)際光電成像系統(tǒng)中，獲得的圖像清晰度、光響應(yīng)強(qiáng)度以及光電流穩(wěn)定性均表明該柔性陣列單元具有優(yōu)異的高分辨率單像素掃描成像能力，如圖（f）-圖（h）所示。

ZnO微米線同質(zhì)結(jié)探測(cè)器件的制備仍然面臨著一系列的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要集中在材料制備、界面工程、載流子運(yùn)輸以及集成和規(guī)模化生產(chǎn)等方面。解決這些挑戰(zhàn)需要綜合材料科學(xué)、固態(tài)物理、表面科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)。例如在材料制備過(guò)程中，ZnO微米線的p型摻雜、質(zhì)量和均勻性對(duì)于器件的性能都至關(guān)重要，需要精確控制生長(zhǎng)速率、溫度、氣氛等，以確保ZnO微米線的摻雜濃度、均勻性和高結(jié)晶度，從而獲得最為理想的微觀結(jié)構(gòu)和具有不同載流子傳輸特性的ZnO微米線。同樣的，如何將構(gòu)筑的這些高性能紫外探測(cè)器件集成到實(shí)際應(yīng)用中并進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，也是研究者們需要重視的問(wèn)題，這涉及到工藝流程的優(yōu)化、材料來(lái)源的穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本的控制等多方面的考量。

通訊作者姜明明研究員表示：“隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能家居和智能城市等概念的不斷發(fā)展，柔性紫外探測(cè)器件將滿足未來(lái)市場(chǎng)對(duì)多功能、集成化和高性能光電探測(cè)器的需求。這也不斷地激勵(lì)著研究者們對(duì)相關(guān)材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行突破和優(yōu)化，以提高器件的光電響應(yīng)性能和機(jī)械穩(wěn)定性，從而確保器件在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和耐久性。而ZnO微米線基柔性紫外探測(cè)器件的發(fā)展對(duì)于提高紫外探測(cè)器的性能、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域以及推動(dòng)新型柔性紫外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。”

后續(xù)團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步在材料改性、界面優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性、制造工藝、后處理技術(shù)、集成與封裝以及多功能應(yīng)用等方面進(jìn)行研究和探索，以期進(jìn)一步優(yōu)化ZnO微米線同質(zhì)結(jié)柔性紫外探測(cè)器，使其擁有更高的性能和更廣泛的適用范圍。

作者簡(jiǎn)介

闞彩俠

南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院

主要研究方向：貴金屬納米結(jié)構(gòu)、微納光電器件性能調(diào)控

闞彩俠，教授，博士生導(dǎo)師，江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀骨干教師，江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人。主要從事光電功能材料、器件與物理的研究，在納米結(jié)構(gòu)等離激元光學(xué)效應(yīng)和半導(dǎo)體微納光電器件相關(guān)的研究取得一系列創(chuàng)新性成果。負(fù)責(zé)5項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金，參加1項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，相關(guān)的研究工作已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利20余項(xiàng)，在Photon. Res.、Small、Adv. Opt. Mater.、Nanoscale等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表SCI期刊論文150多篇，研究結(jié)果引起了同行的高度關(guān)注，多篇論文他引百次以上，研究成果在工信部網(wǎng)站、《中國(guó)激光》等期刊網(wǎng)站做亮點(diǎn)報(bào)道。

姜明明

南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院

主要研究方向：低維微納結(jié)構(gòu)、寬禁帶半導(dǎo)體、半導(dǎo)體器件與物理

姜明明，研究員，博導(dǎo)，主要從事寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料、物理與器件研究。開(kāi)發(fā)金屬氧化物半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)的可控性生長(zhǎng)和摻雜的新方法、新技術(shù)，解決了寬禁帶氧化物半導(dǎo)體純紫外發(fā)光/激光器件的制備、激光模式調(diào)控新技術(shù)新方法等，同時(shí)研制出關(guān)鍵指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先的紫外/近紅外波段高性能光電探測(cè)器件等。在Photon. Res.、Appl.Phys. Lett.、Adv. Funct. Mater.等期刊上發(fā)表100余篇論文，授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)。成果寫(xiě)入專著和多篇權(quán)威綜述，多次被國(guó)際權(quán)威行業(yè)刊物專題報(bào)道。主持3項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等各類項(xiàng)目。

沙樹(shù)林

南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院

研究方向：低維功能材料，光電功能材料，微納光電器件

沙樹(shù)林，南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院博士研究生。2021年于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位。2021年至今于南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院進(jìn)行博士研究工作。目前以第一作者發(fā)表國(guó)際期刊SCI檢索論文4篇，參與發(fā)表國(guó)際期刊SCI檢索論文20余篇。研究興趣主要為光電功能材料和微納光電器件。

科學(xué)編輯| 南京航空航天大學(xué)姜明明

編輯| 張怡

1、Tong Xu, Mingming Jiang, Peng Wan, Kai Tang, Daning Shi and Caixia Kan. Bifunctional ultraviolet light-emitting/detecting device based on a SnO2microwire/p-GaN heterojunction. Photonics Research, 2021, 9(12): 2475

2、Zihao Shuang, Hai Zhou, Dingjun Wu, Xuhui Zhang, Boao Xiao, Jinxia Duan, Hao Wang. High-performance Ag2BiI5 Pb-free perovskite photodetector[J]. Photonics Research, 2022, 10(8): 1886

3、Chandrasekar Perumal Veeramalai, Shuai Feng, Xiaoming Zhang, S. V. N. Pammi, Vincenzo Pecunia, Chuanbo Li. Lead–halide perovskites for next-generation self-powered photodetectors: a comprehensive review[J]. Photonics Research, 2021, 9(6): 968

4、Jiabing Lu, Zesheng Lv, Xinjia Qiu, Shiquan Lai, Hao Jiang. Ultrasensitive and high-speed AlGaN/AlN solar-blind ultraviolet photodetector: a full-channel-self-depleted