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基于PdSe2/Ga2O3范德华异质结的高灵敏度全太阳盲紫外光谱检测与成像

期刊:Optics LettersDOI:10.1364/ol.532885

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主要作者及机构

本研究的主要作者包括Xiaolin Cao、Kunxuan Liu、Di Wu等,分别来自郑州大学物理学院、加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程系、苏州大学光电科学与工程学院等机构。该研究于2024年9月15日发表在《Optics Letters》期刊上,标题为“Highly Sensitive Full Solar-Blind Ultraviolet Spectrum Detection and Imaging Based on PdSe2/Ga2O3 vdW Heterojunction”。

学术背景

本研究属于光电探测领域,特别是太阳能盲区紫外(solar-blind ultraviolet, SBUV)探测技术。太阳能盲区紫外光(200-280 nm)在地球表面几乎不存在,因为臭氧层完全吸收了太阳辐射中的UVC波段。这一特性使得SBUV探测器在军事目标跟踪、电力网络监控、安全通信和火焰检测等领域具有重要应用。然而,现有的硅基紫外探测器由于硅的宽带吸收特性,需要额外的光学滤波器,导致设备笨重、热稳定性差且灵敏度低。因此,宽带隙半导体材料(如GaN、SiC、Ga2O3等)被广泛研究用于高灵敏度紫外探测。其中,Ga2O3因其本征带隙(~4.9 eV)被认为是SBUV探测的理想候选材料。尽管如此,Ga2O3基探测器仍存在覆盖范围不足和异质结构制造复杂等技术挑战。近年来,二维(2D)半金属材料(如PdSe2)因其独特的特性在光电探测领域展现出巨大潜力。

研究目标

本研究旨在通过合成Sn掺杂的Ga2O3薄膜并构建PdSe2/Ga2O3范德华(vdW)异质结,实现高灵敏度的全太阳能盲区紫外光谱探测和成像。研究目标是开发一种无需严格晶格匹配的高质量异质结探测器,并展示其在SBUV探测和成像中的应用。

研究流程

  1. Ga2O3薄膜的合成与表征
    采用化学气相沉积(CVD)方法在蓝宝石(c-Al2O3)基底上合成Ga2O3薄膜。通过改变SnO2与Ga2O3粉末的重量比(100:0, 100:1, 100:2, 100:5),制备了不同Sn掺杂比例(0%, 1%, 2%, 5%)的Ga2O3薄膜。薄膜的晶体结构通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)表征,表面形貌通过扫描电子显微镜(SEM)观察,光学性质通过紫外-可见分光光度计(UV-Vis)和X射线光电子能谱(XPS)分析。

  2. PdSe2/Ga2O3异质结器件的构建
    在Ga2O3薄膜上沉积30 nm的Al2O3层,随后通过热辅助硒化方法在Ga2O3薄膜上原位生长2D PdSe2层(厚度约6.1 nm)。在PdSe2和Ga2O3上分别制备Au和Ti/Au电极,形成PdSe2/Ga2O3异质结器件。器件的电学和光电性能通过Keithley 4200A-SCS分析仪测试。

  3. 光电性能测试与成像应用
    对PdSe2/Ga2O3异质结器件进行光电性能测试,包括光电流-电压(I-V)特性、光谱响应、响应速度等。此外,制备了16个异质结器件阵列,展示了其在SBUV成像中的应用。

主要结果

  1. Ga2O3薄膜的表征结果
    XRD和Raman光谱表明,所有Ga2O3样品均具有高质量的晶体结构和稳定的相。SEM图像显示薄膜表面光滑且致密。XPS分析表明,Sn掺杂引入了氧空位,导致带隙减小。霍尔测量结果显示,Sn掺杂比例为2%时,薄膜的电阻率最低(0.11 Ω·cm),载流子浓度最高(3.17×10^17 cm^-3)。

  2. PdSe2/Ga2O3异质结器件的性能
    该器件在200-290 nm范围内表现出高灵敏度,覆盖了整个SBUV区域。在零偏压下,器件的响应度(R)为123.5 mA/W,外量子效率(EQE)为62%,比探测率(D*)为1.63×10^13 Jones,响应时间为0.152.3 ms。此外,器件在245 nm处的紫外/可见光抑制比高达2.5×10^4,显示出优异的抗干扰能力。

  3. 成像应用
    16个异质结器件阵列展示了良好的像素均匀性和成像能力。通过投影成像方法,器件成功展示了“2”和“d”图案的高对比度SBUV成像。

结论

本研究成功开发了一种基于PdSe2/Ga2O3范德华异质结的高灵敏度全太阳能盲区紫外探测器和成像系统。该器件在SBUV探测和成像中表现出优异的性能,为宽带隙Ga2O3薄膜在高灵敏度SBUV探测和成像中的应用提供了可行的路径。

研究亮点

  1. 重要发现

    • 实现了全太阳能盲区紫外光谱的高灵敏度探测和成像。
    • 开发了无需严格晶格匹配的高质量PdSe2/Ga2O3异质结器件。
  2. 方法创新

    • 采用CVD方法可控合成Sn掺杂的Ga2O3薄膜,并通过热辅助硒化方法原位生长2D PdSe2层,确保了异质结界面的高质量。
  3. 应用价值

    • 该器件在军事和民用领域具有广泛的应用前景,如目标跟踪、安全通信和火焰检测等。

其他有价值的内容

本研究得到了中国国家重点研发计划、国家自然科学基金和河南省高等教育重点研究项目的资助。

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