近日，国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院陈效双研究员团队提出了一种通过六方氮化硼封装技术，实现从520 nm到4.6 μm工作波长的钽镍硒（Ta2NiSe5）非制冷红外光电探测器（PD）。该探测器在室温空气环境条件下具有较低的等效噪声功率（4.5 × 10−13W Hz−1/2）和较高的归一化探测率（3.5× 25250px Hz1/2W−1），而且通过表征时间、偏置、功率和温度依赖等多方面因素，研究其不同波长辐射产生光电流的多重机制。此外，还展示了器件的偏振灵敏度和在不同的可见光、近红外、中波红外波长范围内的多功能成像应用。这些结果揭示了多功能的探测模式，为设计新型的纳米光电器件提供了一种新的思路。
该成果以“H-BN-Encapsulated Uncooled Infrared Photodetectors Based on Tantalum Nickel Selenide”为题发表在期刊Advanced Functional Materials上（IF=19）。本工作也得到了国家自然科学基金委、上海市科委、中国科学院和浙江省自然科学基金委等项目的资助。
本文利用干法转移堆叠，采用平面h-BN封装的金属-Ta2NiSe5-金属(源极和漏极)结构设计了Ta2NiSe5基PDs，如图1a所示。图1b的左侧面板显示了横截面透射电子显微镜图像，并证明原子堆中没有污染或无定形氧化物。图1d显示了在黑暗条件下和不同功率强度的激光照射（1550nm）下的I-V特性的比较，显示了近线性行为，表明Ta2NiSe5薄片和Cr/Au电极之间具有良好的欧姆接触。如图1e所示，对于窄带隙半导体Ta2NiSe5，光激发载流子的短瞬态寿命减少了电荷分离时间。Ta2NiSe5的高迁移率可以实现电场驱动的光生载流子的快速传输，降低复合的概率。520 nm至2 µm范围内的光响应机制被认为是光电导效应（PDE）。由于PDE，带间跃迁产生的电子-空穴对被施加的电场分离，并被图1h左侧面板中的电极收集。在可见光和近红外光谱中吸收光子，只要它们具有超过带隙的能量，就会触发电子-空穴（e-h）对的产生，从而调节材料的电导率。随后，这些产生的e-h对在外部电场的诱导下分离，产生光电流。基于Ta2NiSe5的PD在1550 nm处0 V和±1 V的扫描光电流映射（图1h）很好地验证了上述光电流起源的推测。
图1. Ta2NiSe5基PD在大气环境中不同激光波长和功率下的光电特性。（a）基于Ta2NiSe5的PD的示意图。（b）Ta2NiSe5基PD的横截面TEM图像和相应的元素映射。（c）剥离的Ta2NiSe5纳米片的SEM图像和EDS元素图谱。（d）在1550 nm激光照射下，不同功率下的Iph-Vds曲线。（e）基于Ta2NiSe5的PD的单个响应过程，Vds为1V。（f）从具有绝对值的I-t曲线中提取的Vds和Plight相关光电流。（g）在1V偏压下基于Ta2NiSe5的PD下的光电流的线性功率和亚线性功率依赖性。（h）1550 nm激光照射下典型Ta2NiSe5基PD的扫描光电流图，以及−1、0和1 V偏压照射下从Ta2NiSe5到电极的光生载流子传输过程的说明。
泡利阻塞抑制了在4.6 μm（0.27 eV）处产生电子-空穴对的直接光学跃迁。热效应机制被认为是控制MWIR区域光探测过程的潜在物理机制，如光热电效应和辐射热效应。对于辐射热效应的贡献，不需要外部偏置来产生光电流，如图2a所示，而不是依赖于自供电的工作模式。辐射热效应是指沟道材料由于吸收均匀的红外辐射而引起温度升高，从而导致电导率或光吸收等电学或光学性质变化。值得注意的是，辐射热效应需要外加电场。为了确定控制MWIR探测过程的主要机制，光响应被记录为功率和Vds的关系。光电流呈现负极性、零极性和正极性三个特征区域，分别对应图2a中的区域I、II和III。通过测量Ta2NiSe5基PDs电阻的温度依赖性（4-400 K），器件电阻的温度依赖性表现出典型的半导体热激发输运性质，表明热效应可以有效地增强器件电导（图2b）。电阻的温度系数（TCR）是辐射热效应的一个关键指标，在Vds=1 V时，Ta2NiSe5基PDs的TCR为-1.9% K-1。与快速的可见光-近红外光响应相反，在关闭光后漏极电流缓慢恢复，响应时间≈24 ms（图2c）。辐射热效应可以解释明显的光响应与缓慢的下降和上升时间，而不是光电导效应。该值是典型的辐射热特性（1-100 ms），因为吸收MWIR光子后热电子的能量转移到晶格，进一步改变沟道电导。此外，在传热和耗散过程中，h-BN利用极高的导热系数有效地消散探测器产生的热量。光电流的产生分为两种状态。首先，沟道材料在吸收MWIR光子后改变自身电导率，其次，通过驱动外电场产生光电流（图2d）。与PTE中取决于塞贝克系数的光电流符号不同，辐射热光电流的符号取决于外部电场。为了直观地揭示Ta2NiSe5基PDs的光响应机制，本文利用扫描光电流成像技术对光电流分布进行成像（图2e）。在0 V偏置照射下，几乎没有观察到光电流，而在±1 V的外偏置照射下，整个沟道的光电流相当均匀。诱导的电导变化可能是入射光下温度升高期间产生电流的载流子数量变化的结果。Ta2NiSe5基PDs具有独特的性能，它们可以在室温下工作而不会性能下降，这使得它们有希望用于辐射热探测应用。此外，该器件无需p-n结即可工作，简化了制造过程。
图2. 基于Ta2NiSe5的PD在4.6 µm光照下的光响应。（a）从I-t曲线中提取的Vds和Plight相关光电流。（b）Ta2NiSe5纳米片电阻的温度依赖性。（c）Vds为1V的基于Ta2NiSe5的PD的单个响应过程。（d）基于Ta2NiSe5的器件在4.6 µm激光照射下的晶格加热的典型示意图。（e）4.6 µm激光照射下典型Ta2NiSe5基PD的扫描光电流图，以及−1、0和1 V偏压照射下测辐射热机制器件的能带对准。
接下来，520 nm-4.6 µm波长范围内的光的光谱响应度如图3a（左纵轴）所示，在4.6 µm处峰值为0.86 A W−1。在图3a（右纵轴）中，在不同激发波长上进行的EQE测量表明，随着波长的增加，EQE逐渐下降。由入射光子和晶格振动之间的相互作用产生的有限的能量转换效率，以及两端电极的有限收集，通过阻碍入射光子到光生载流子的有效转换，降低了材料的量子效率。重要的是，从可见光到MWIR光谱范围（520 nm-4.6 µm）实现了0.23至82.22的EQE值。与许多传统报道的基于低维材料的PD相比，基于Ta2NiSe5的PD的EQE显著更高，如图3b所示。从1 Hz到10 kHz测量的电流噪声功率谱如图3c所示，然后将NEP计算为NEP=in/RI（图3d），其中在520 nm处获得的最小NEP≈0.45 pW Hz−1/2，在4.6 µm处获得的最低NEP≈18 pW Hz−1/2。基于Ta2NiSe5的PD的较低NEP证明了它们区分信号和噪声的优异能力。图3e显示了与传统大块材料和基于2D材料的PD相比，基于Ta2NiSe5的PD在不同偏压下的波长依赖性特异性检测。对于光电导和测辐射热计响应，D*显示出3.5×1010至8.75×2700px Hz1/2W−1的轻微波动。我们的PD的D*与最先进的商业PD相当，并且高于基于可见光到中红外区域的2D材料的PD。
图3. 基于Ta2NiSe5的PD的可见光至MWIR区域的宽带光响应。（a）Vds＝1时RI（蓝色实心正方形）和EQE（红色实心圆）的波长依赖性。（b）基于Ta2NiSe5的PD与2D和块体材料PD的EQE的比较。（c）从1 Hz到10 kHz测量的电流噪声功率谱。（d）基于Ta2NiSe5的PD与以前的PD的NEP性能比较，插图显示了NEP的波长依赖性。（e）不同波长下的比探测率（D*）与基于2D材料的最先进的其他PD以及商用红外PD的比较。
为了确定基于Ta2NiSe5的PD的偏振依赖性，我们进行了如图4a所示的实验。垂直入射光使用格兰泰勒棱镜进行偏振，通过旋转半波片同时保持恒定的激光功率来改变样品的激光偏振方向和b轴之间的关系。对最具代表性的638 nm激光偏振特性进行研究，图4b，c显示，随着极化角的变化，光电流表现出显著的周期性变化，最大值和最小值分别沿Ta2NiSe5纳米片的b轴和a轴方向获得。值得注意的是，图4c中的偏振依赖性光响应图显示了由于Ta2NiSe5晶体的[TaSe6]2链的潜在1D排列而导致的两片叶子的形状。最终结果显示，各向异性比（Iph-max/Iph-min）达到约1.47，表明基于Ta2NiSe5的PD的整体性能优于大多数其他报道的PD，如图4f所示，并为设计未来的多功能、空气稳定的光电子器件提供了广阔的前景。
图4. 基于Ta2NiSe5的PD的偏振敏感光电检测。（a）利用Ta2NiSe5材料的基于纳米片的偏振敏感光电探测器的示意图。（b）在638 nm激光源下记录的光偏振方向为0°至360°的时间分辨光响应。（c）在638 nm偏振激光下，Vds为−1至0V的光电流中各向异性响应的各向异性响应图。（d）通过在638 nm激光下扫描Ta2NiSe5基PD获得的光电流图，偏振角从0°到180°不等。（e）创建极坐标图以显示在638 nm线性偏振激光照射下在40、36和17 nm厚度下产生的角度分辨光电流。（f）与其他常用的2D和1D材料相比，光电流各向异性比和光响应范围。
为了充分探索基于Ta2NiSe5单元的PD在多应用成像中的潜力，如图5a所示构建了一个成像系统。采用逐点或逐像素覆盖整个物体区域，用聚焦的可检测光束照射物体，PD检测到的光电流信号由锁定放大器、前置放大器和计算机收集，计算机记录位置坐标生成高质量图像。为了测试基于Ta2NiSe5的PD的成像能力，将具有“HIAS”图案（15 cm×5 cm）的中空金属板放置在520 nm激光器前面，并以优于0.5 mm的高分辨率成功捕获了所产生的成像，如图5b所示。通过控制外部偏置，可以改变PD在638 nm照明下的响应，并成功实现物体成像清晰度，如图5c所示。在NIR范围内，在基于Ta2NiSe5的PD中获得了覆盖载玻片的钥匙锯齿状边缘的高对比度图像（图5d）。此外，基于Ta2NiSe5的设备在近红外和MWIR区域都表现出高度稳定的响应，确保了高对比度成像以智能识别宏观物体。为了证明这一特性，在1550 nm和3.2 μm处实现了复合物体（硅片和长尾夹）的双通道成像。如图5e所示，近红外光只能检测到一半的长尾夹，而MWIR辐射可以显示整个长尾夹。结果证明了基于Ta2NiSe5的PD在军事和民用应用中检测隐藏物体的潜力。
图5. Ta2NiSe5基PD的光电成像应用。（a）使用PD作为成像像素的成像系统的示意图。（b）520 nm处的“HIAS”物体（上图）和相应的高分辨率成像图（下图）。（c）在638 nm处，Vds为0.05、0.1、0.5和1 V的“H”对象。（d）1550 nm覆盖载玻片的钥匙成像。（e）在1550 nm和3.2 µm处被硅片部分隐藏的长尾夹的成像。
本文揭示了h-BN封装的Ta2NiSe5基PD在环境条件下在520 nm至4.6 µm的宽光谱范围内工作的特殊光电特性，受光电导和测辐射热效应的控制。光电探测器同时表现出宽带和快速的光电探测能力，具有显著的响应性，超过了现有商业室温探测器的性能。基于Ta2NiSe5的PD的室温响应度达到了34.44 AW−1（520 nm）、32.14 AW−1（638 nm）、29.81 AW−1（830 nm）、20.92 AW−1（1550 nm），16.58 AW−1（2 µm）和0.86 AW−1（4.6 µm）。基于Ta2NiSe5的PD的独特光学特性使其适合于各种应用，包括传感、成像和通信，并且它们与其它2D材料的集成可以进一步增强它们的性能和功能。因此，这项工作的研究为利用2D材料设计稳定的光电探测器铺平了道路，为推进下一代红外光电子研究的发展做出了贡献。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305380
