東南大學徐春祥教授團隊Nano Energy：ZnO/ZnTe核/殼納米陣列中光伏-熱釋電效應的協同與自驅動寬光譜探測

【引言】

紫外-可見到紅外的寬光譜光電探測器，廣泛應用于環境監測、成像、醫學、通訊和夜視等領域。寬直接帶隙半導體ZnO在短波長光電探測器件領域具有獨到的物理優勢，但基于光電導模式的ZnO基探測器，主要工作于紫外波段，響應和恢復時間較慢，同時需要外加偏壓，造成額外的成本和能源消耗，也不利于器件集成。因此，尋求新的工作機制，實現寬光譜、自驅動、快速和高靈敏的光探測器的具有重要意義。

具有非中心對稱結構的ZnO納米材料具備特殊的熱釋電效應，當溫度變化時將產生熱釋電極化電荷，從而在沿著ZnO晶體的極性方向產生瞬時電勢。據此可用由不同波段光照，誘導ZnO的熱釋電電勢，調控光電轉換和載流子輸運過程，并結合ZnO與其它半導體的異質結構的合理設計，通過熱釋電-光伏耦合效應，實現寬光譜范圍的快速光探測。

【成果簡介】

近日，東南大學徐春祥教授的科研團隊在Nano Energy?上發表了題為“Photovoltaic-Pyroelectric Effect Coupled Broadband Photodetector in Self-powered ZnO/ZnTe Core/Shell Nanorod Arrays”的文章。該團隊在氣相傳輸法制備的ZnO納米結構的基礎上，采用經典的磁控濺射法構建了均勻包覆的ZnO/ZnTe核殼納米棒陣列，形成了n-ZnO/p-ZnTe異質結光電探測器件。基于ZnO的熱釋電效應，以及ZnO/ZnTe p-n異質結的光伏效應，協同實現了在零偏壓下從325 nm紫外到1064 nm近紅外的寬光譜探測。在325 nm 激光 (2.13 mW/cm²) 照射下，最大響應度和探測率分別達到196.24 mA/W 和 3.47 × 10¹²?cm Hz^1/2/W，比僅有光伏響應的器件提高了10倍，且上升時間和下降時間從1.222 ms和1.563 ms分別下降到62 μs降到109 μs。

【圖文導讀】

圖一?ZnO/ZnTe核殼納米棒的合成示意圖及理化表征

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a) ZnO/ZnTe核殼納米棒陣列器件合成示意圖；b, c) ZnO和ZnO/ZnTe核殼納米棒的SEM圖；

d, e, f, g) ZnO和ZnO/ZnTe的EDS, XPS, XRD和吸收譜；h) ZnO/ZnTe器件結構能帶結構。

圖二?ZnO/ZnTe核殼納米棒形貌表征

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a, b, c) ZnO/ZnTe核殼納米棒TEM, HRTEM圖；d) ZnO/ZnTe核殼納米棒的STEM圖；

e, f) ZnO/ZnTe核殼納米棒的元素分布和線掃描圖。

圖三?ZnO/ZnTe探測器紫外-可見-紅外波段的I-V響應和工作機制

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a, b, c) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下的I-V測試曲線；d, e)?ZnO/ZnTe器件在325 nm激光照射下的I-t測試曲線；f) 光伏-熱釋電耦合效應下的四階段光響應行為及其對應的工作機制。

圖四?ZnO肖特基、歐姆接觸?和ZnTe歐姆接觸探測器電學表征

a, d) ZnO肖特基接觸器件在325 nm激光照射下的I-V和I-t測試曲線；b, e) ZnO歐姆接觸器件在325 nm激光照射下的I-V和I-t測試曲線；c, f) ZnTe歐姆接觸器件在325 nm激光照射下的I-V和I-t測試曲線。

圖五?ZnO/ZnTe探測器紫外-可見-紅外波段光電響應及工作機理

a, b) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下的I-t測試曲線；c) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下的紅外熱成像圖；d)ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下工作機制圖。

圖六?光功率和偏壓對光伏-熱釋電效應的影響

a, b, c, d, e, f) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下光功率對光伏-熱釋電效應的影響；g, h, i) ZnO/ZnTe器件在325 nm, 532 nm, 1064 nm激光照射下偏壓對光伏-熱釋電效應的影響。

【小結】

綜上所述，研究者采用簡便的氣相傳輸和濺射方法制備了基于ZnO/ZnTe核/殼型納米棒陣列的自驅動寬光譜響應光電探測器。通過利用n-ZnO/p-ZnTe光伏-熱釋電耦合效應，不僅拓寬了ZnO/ZnTe從紫外到近紅外的寬光譜響應，而且提高了器件的光響應度和響應速度。本工作系統研究了光照波長、外加偏壓和光功率密度對器件的光伏-熱釋電耦合效應的影響，為實現高性能的寬譜光電探測器提供了一個簡單而有效的方案。

文獻鏈接：Daotong You, Chunxiang Xu?, Wei Zhang, Jie Zhao, Feifei Qin, Zengliang Shi, Photovoltaic-Pyroelectric Effect Coupled Broadband Photodetector in Self-powered ZnO/ZnTe Core/Shell Nanorod Arrays (?Nano Energy, 62, 2019, 310–318?).

【徐春祥教授團隊介紹】

徐春祥教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，江蘇省“333高層次人才培養工程”中青年科技領軍人才，東南大學首席教授。現任東南大學生物科學與醫學工程學院副院長。1997年于中國科學院長春物理研究所獲博士學位，后加入東南大學歷任副教授、教授。徐春祥教授近年來主要從事納米光電功能材料與器件及其生物醫學的功能應用研究，特別是在半導體微納米結構制備表征、新型微腔激光、表面等離激元調控與光學增強、生物傳感等方面取得了一系列創新性研究成果。先后主持973、863、國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金重點項目及面上項目、江蘇省重點研發計劃等二十多項國家級與部省級研究項目。 研究成果獲教育部自然科學二等獎（第一完成人），在Advanced Materials，ACS Nano，Laser & Photonics Reviews等國際權威學術刊物上發表SCI論文250余篇，已被引用7000余篇次，授權發明專利20余項。

徐春祥教授研究組主頁：

http://nbp.seu.edu.cn

【團隊近期工作匯總】

團隊近期在“核殼結構光電功能器件”領域的工作如下：

1.Single-Crystal ZnO/AlN Core/Shell Nanowires for Ultraviolet Emission and Dual Color Ultraviolet Photodetection,?Advanced Optical Materials, 2019, 7, 1801522.

2.Three-dimensional core-shell nanorod arrays for efficient visible-light photocatalytic H₂production, ACS Applied Materials & Interfaces, 2018,?10(41),?35184-35193.

3.Vertically aligned ZnO/Ga₂O₃core/shell nanowire arrays as self-driven superior sensitivity solar-blind photodetectors, Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(10), 3056-3063.

4.Interface Control for Pure Ultraviolet Electroluminescence from Nano-ZnO-based Heterojunction Devices, Science Bulletin, 2018, 63(1), 38-45.

材料人東南大學徐春祥教授的科研團隊供稿。

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