hBN因其超寬的禁帶寬度、高的帶邊吸收系數(shù)和穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)成為了制備真空紫外光電探測(cè)器的理想材料之一。然而，目前制備大面積hBN薄膜通常需要超高的溫度、特定的氣體氛圍和特殊處理的襯底等各種嚴(yán)苛條件，使大面積hBN薄膜的獲取是低效和高成本的，限制了hBN在真空紫外光電探測(cè)器件上的應(yīng)用。
近期，西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)李強(qiáng)副教授等通過(guò)剝離-自組裝的方法制備了大面積hBN薄膜，并進(jìn)行了光電探測(cè)器的制備與器件工作機(jī)制的研究。該成果以Large-Area Self-Assembled Hexagonal Boron Nitride Nanosheet Films for Ultralow Dark Current Vacuum-Ultraviolet Photodetectors為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
該方法基于hBN特有的二維結(jié)構(gòu)特性，通過(guò)液相剝離的方法從塊體hBN上剝離出少層的hBN納米片（BNNSs），通過(guò)自組裝工藝將BNNSs組裝成大面積有序薄膜使其可以轉(zhuǎn)移至襯底上進(jìn)一步表征與應(yīng)用。該方法提高了制備hBN薄膜的效率、降低了薄膜制備的成本。
圖1 BNNSs及自組裝薄膜的電鏡圖
基于自組裝BNNS薄膜制備了真空紫外光電探測(cè)器，通過(guò)“光誘導(dǎo)結(jié)勢(shì)壘高度”的工作機(jī)制分析了器件的工作原理。以調(diào)控BNNS尺寸的方式對(duì)器件的電學(xué)性能進(jìn)行調(diào)控。結(jié)果顯示隨著B(niǎo)NNS尺寸的減小，制備的BNNS薄膜暗電流變低，最低實(shí)現(xiàn)了器件在80 V電壓下0.27 pA的暗電流。借助MSM型雙肖特基模型，通過(guò)定量計(jì)算器件的串聯(lián)電阻和勢(shì)壘高度在光照前后的變化，分析了光照對(duì)器件電學(xué)參數(shù)的影響。以PD1為例，其反偏結(jié)的勢(shì)壘高度f2在光照前為0.815 eV，在光照后降低到了0.620 eV。串聯(lián)電阻Rs從149.5 TW 降低至0.211 TW，即光照后的串聯(lián)電阻只有光照前的0.14%。該計(jì)算方法為同類器件（電阻率被結(jié)勢(shì)壘所主導(dǎo)）工作機(jī)制的研究提供了方案。
圖2 不同尺寸BNNSs制備的PD的電學(xué)特性研究
尺寸越大的BNNS組裝成的薄膜探測(cè)器具有更高的響應(yīng)度，但其暗電流較高，光暗比較低。尺寸最小的BNNSs制備的PD1的暗電流為0.27 pA，對(duì)185 nm波長(zhǎng)的真空紫外光響應(yīng)度為1.09 mA/W、探測(cè)率為3.42×1011 Jones，響應(yīng)速度為20.97 ms/17.69 ms。相比于同類器件，PD1具有超低的暗電流、高探測(cè)率和快的響應(yīng)速度。從BNNS薄膜光電探測(cè)器的空間電荷區(qū)、能帶圖和等效電路圖建立了載流子運(yùn)輸模型，重點(diǎn)分析了注入電荷在BNNS-BNNS結(jié)勢(shì)壘之間的傳輸過(guò)程。每個(gè)BNNS靠近源極一側(cè)的空間電荷區(qū)經(jīng)歷了削弱到中和的過(guò)程，而靠近漏極一側(cè)的空間電荷區(qū)經(jīng)歷了增強(qiáng)到擊穿的過(guò)程。在這些過(guò)程中，注入的電荷主要被結(jié)勢(shì)壘處的空間電荷區(qū)所消耗，導(dǎo)致器件具有超低的暗電流。
圖3 BNNS薄膜光電探測(cè)器的性能表征和機(jī)制探究
基于自組裝BNNS薄膜制備了柔性光電探測(cè)器。該器件在多次彎曲和不同彎曲狀態(tài)下性能穩(wěn)定，證明了基于自組裝BNNS薄膜的光電探測(cè)器具有良好的可靠性。
圖4 柔性BNNS薄膜器件的光電探測(cè)性能
該工作的第一作者為西安交通大學(xué)博士生張啟凡，李強(qiáng)副教授（導(dǎo)師）、先進(jìn)光電所云峰教授、英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Tao Wang教授和西安電子科技大學(xué)郝躍院士共同作為通訊作者，西安交大為第一通訊單位。論文中的表征測(cè)試得到了西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心和賈春林科學(xué)家工作室研究人員的支持。
李強(qiáng)及其團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于hBN材料生長(zhǎng)及其光電器件的研究，前期工作已獲得10余項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，并在Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interface、Crystal Growth & Design、Applied Surface Science等最具影響力期刊上發(fā)表了一系列研究成果。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202315149
李強(qiáng)老師主頁(yè)：http://gr.xjtu.edu.cn/web/liqiang2014
