基于碲化鉍納米線的長波紅外光熱電探測器開發(fā)

碲化鉍（Bi?Te?）是一種具有層狀范德華結(jié)構(gòu)的二維材料，歸因于拓撲絕緣體的特性，其載流子遷移率較高。同時作為一種性能優(yōu)異的熱電材料，其Seebeck系數(shù)較大（-170 μV/K），而熱導(dǎo)率很低（約1.4 W·m?1·K?1）， 且其在較大的光波范圍內(nèi)均存在有效的自由載流子吸收，因此Bi?Te?是開發(fā)光熱電探測器的有希望的候選者。研究Bi?Te?光電探測器在長波紅外波段的響應(yīng)機制及性能提升策略對光電探測的發(fā)展具有重要意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室和中國科學(xué)院大學(xué)的科研團隊在《半導(dǎo)體材料與器件》期刊上發(fā)表了以“基于碲化鉍納米線的長波紅外光熱電探測器”為主題的文章。該文章第一作者為曹曉鵬，通訊作者為陸曉偉副研究員和姜鵬研究員。

本文研究了Bi?Te?納米線光電探測器在長波紅外（10.6 μｍ）波段的響應(yīng)機制及性能提升策略。首先探索了在化學(xué)氣相沉積中如何實現(xiàn)納米線的可控生長；接著利用微納加工工藝制造并探索了Bi?Te?納米線光電探測器在長波紅外波段的響應(yīng)機制；最后研究了電極材料和調(diào)制頻率對Bi?Te?納米線光熱電探測器性能的影響。

探測器制備及測試方法

Bi?Te?納米線的合成

采用化學(xué)氣相沉積法在石英管式爐內(nèi)生長Bi?Te?納米結(jié)構(gòu)，生長過程示意圖如圖1（a）所示。對于化學(xué)氣相沉積合成納米結(jié)構(gòu)而言，生長區(qū)的溫度可控制其形貌演變。同樣的情形在Bi?Te?納米結(jié)構(gòu)的合成中被觀察到，如圖1（b）和（c）所示，在不同的生長溫區(qū)內(nèi)其形狀發(fā)生了明顯的變化，從納米片轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米線。

圖1 化學(xué)氣相沉積法生長的Bi?Te?納米結(jié)構(gòu)

Bi?Te?納米線光電探測器的制備

Bi?Te?納米線光電探測器的制備方法為：使用Si/SiO?（200 nm）作為襯底，首先依次用丙酮、異丙醇、去離子水擦拭襯底，去除表面的雜質(zhì)，然后采用對貼法將生長襯底上的納米線轉(zhuǎn)移到Si/SiO?表面。接著將轉(zhuǎn)移之后的結(jié)構(gòu)進行預(yù)烘，去除表面的水分，再依次進行光刻膠旋涂、曝光、顯影工藝，將掩模版圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。最后使用磁控濺射生長電極，再通過丙酮浸泡去除冗余結(jié)構(gòu)，即可得到所需的Bi?Te?納米線，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示，電極材料位于Bi?Te?納米線的上方。使用原子力顯微鏡（AFM）掃描樣品，結(jié)果如圖2（b）和（c）所示，表明成功制備了Bi?Te?納米線光電探測器，納米線長度為60 μm、寬度為650 nm、高度為40 nm，電極材料為Ni，通道長度為20 μｍ。受限于磁控濺射加工工藝，生長電極與Bi?Te?納米線界面處存在一定程度的卷邊。

圖2 Bi?Te?納米線光電探測器的制備

Bi?Te?納米線光電探測器的性能測試

在光熱電響應(yīng)測試過程中，使用CO?激光作為紅外光源，將激光波長調(diào)整為10.6 μm，經(jīng)光路調(diào)節(jié)聚焦后，光斑大小約為30 μm。對Bi?Te?納米線光電探測器在黑暗和光照條件下的Ｉ?Ｖ曲線進行測試，采用Keithley 2450數(shù)字源表測試數(shù)據(jù)。

結(jié)果與討論

Bi?Te?納米線光電探測器在長波紅外波段的響應(yīng)

首先測試了在黑暗和10.6 μm 波長激光照射下Bi?Te?納米線光電探測器的Ｉ?Ｖ曲線，如圖3（a）所示，線性的Ｉ?Ｖ曲線表明Bi?Te?納米線與Ｎｉ電極之間為歐姆接觸而無肖特基勢壘。當激光照射在器件左側(cè)（連接源表正極） 時，左側(cè)吸收熱量導(dǎo)致左右兩側(cè)產(chǎn)生溫差；由于Seebeck效應(yīng)，熱量驅(qū)使載流子移動，從而輸出電信號。光照條件下的Ｉ?Ｖ曲線向下平移，符合Bi?Te?納米線的n型半導(dǎo)體特性。另外，同時產(chǎn)生極性相反的響應(yīng)電壓和響應(yīng)電流，且電阻值沒有明顯變化，證明該響應(yīng)機制為典型的光熱電轉(zhuǎn)換過程。

圖3 Bi?Te?納米線光電探測器在長波紅外波段的響應(yīng)

進一步測試響應(yīng)電壓隨激光功率的變化，如圖3（b）所示，當激光功率P增加時，響應(yīng)電壓隨之變大。對實驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，響應(yīng)電壓與對應(yīng)的激光功率呈線性正相關(guān)。

隨后在無外加偏壓條件下，對Bi?Te?納米線光熱電探測器在光照條件下隨位置變化的響應(yīng)電流進行掃描響應(yīng)電流成像，如圖4（a）所示，其表現(xiàn)出對稱的光熱電響應(yīng)，響應(yīng)電流可達15 nA，與Ｉ?Ｖ曲線測試得到的結(jié)果一致。這歸因于其n型半導(dǎo)體特性，在光照條件下，電子的熱擴散產(chǎn)生了響應(yīng)電流。當光照射在左側(cè)和右側(cè)界面時，熱載流子的移動方向相反，因此呈現(xiàn)出極性相反的響應(yīng)電流。

圖4 Bi?Te?納米線光熱電探測器的響應(yīng)電流隨位置的變化

進一步地，沿圖4（a）中的白色虛線，提取光響應(yīng)電流在一維尺度上隨位置的變化。如圖4（b）所示，雖然通道長度只有20 μm，但Bi?Te?納米線光電探測器在100 μm的長度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出光響應(yīng)。一方面光斑尺寸（30 μm）相較通道長度較大，另一方面電極存在一定的吸光能力，使得在較大的范圍內(nèi)均能獲得有效的光響應(yīng)信號，響應(yīng)電流的最大值出現(xiàn)在Bi?Te?納米線與Ni電極的界面附近。結(jié)合以上分析可知，優(yōu)化電極材料或許對Bi?Te?納米線光電探測器的性能有所提升。

電極對Bi?Te?納米線光熱電探測器性能的影響

首先驗證電極厚度對Bi?Te?納米線光熱電探測器響應(yīng)電壓的影響。當電極材料為Ni時，測試了電極厚度分別為20、30、50、70、100 nm時的響應(yīng)電壓。如圖5（a）所示，隨著電極厚度的增加，其響應(yīng)電壓先增大后減小。對同一種材料而言，吸光系數(shù)可能隨厚度的增加而增加；與此同時，歸因于表面積的增大，電極散耗到空氣中的熱量也隨之增加，這意味著電極厚度的增加也會有一定的散熱作用。因此在使用Ni作為電極時，其厚度選擇有一個最優(yōu)解，當電極厚度為50 nm時，響應(yīng)電壓最大為400 μV。

圖5 優(yōu)化電極提高Bi?Te?納米線光熱電探測器響應(yīng)

接著研究了當電極厚度為50 nm時，具有不同熱導(dǎo)率的電極材料對Bi?Te?納米線光熱電探測器響應(yīng)電壓的影響。如圖5（b）所示，隨著電極熱導(dǎo)率的降低，其響應(yīng)電壓也隨之減小。在相同的電極厚度條件下，熱導(dǎo)率的增加使電極具有更強的熱傳導(dǎo)能力，其傳遞給Bi?Te?的熱量也就更多；而相同的表面積使電極向空氣中耗散的熱量變化很小。因此，通過電極材料的優(yōu)化，Bi?Te?納米線兩側(cè)的溫差得以增加。當使用Au作為電極材料時，響應(yīng)電壓增大至3.4 mV，遠高于電極材料為Ni時的響應(yīng)電壓。

對于微納結(jié)構(gòu)的長波紅外與太赫茲光熱電探測器來說，當激光照射在器件中央時，由于光斑尺寸相較于器件過大，左右兩側(cè)產(chǎn)生的熱量相近，無法建立有效的溫差， 阻礙了低維材料光熱電探測器的應(yīng)用。使用非對稱電極結(jié)構(gòu)是一種常見的解決方法，由于不同材料熱導(dǎo)率的差異，電極左右兩側(cè)將產(chǎn)生不均勻的熱量吸收，從而存在溫差，輸出電信號。本文制作了左側(cè)電極為Ni，右側(cè)電極為Au的結(jié)構(gòu)，其掃描響應(yīng)電流成像如圖6（a）所示。由于熱導(dǎo)率的差異，左右兩側(cè)產(chǎn)生了非對稱的光熱電響應(yīng)，Au電極上的響應(yīng)電流高于Ni電極的，且響應(yīng)面積更大。沿圖6（a）中的白色虛線，提取光響應(yīng)電流在一維尺度上隨位置的變化，如圖6（b）所示，當光照射在Bi?Te?納米線中央時，也能產(chǎn)生有效的光信號。

圖6 非對稱電極結(jié)構(gòu)的響應(yīng)電流隨位置的變化

調(diào)制頻率對Bi?Te?納米線光熱電探測器性能的影響

最后研究了調(diào)制頻率對Bi?Te?納米線光熱電探測器響應(yīng)的影響。如圖7（a）所示，當調(diào)制頻率分別為20、200、800 Hz時，該探測器均表現(xiàn)出穩(wěn)定的、可重復(fù)的開關(guān)響應(yīng)。圖7（b）為探測器的帶寬分析，描述了響應(yīng)電壓幅值隨調(diào)制頻率的變化，頻率為20 Hz ～ 10 kHz。光響應(yīng)電壓幅值在1 kHz之前變化很小，之后隨著頻率的增加，響應(yīng)電壓幅值呈線性急速下降。結(jié)果顯示，Bi?Te?納米線光熱電探測器表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

圖7 調(diào)制頻率對Bi?Te?納米線光熱電探測器的影響

結(jié)論

通過控制生長區(qū)溫度，采用化學(xué)氣相沉積實現(xiàn)了Bi?Te?納米線的可控合成。制備了Bi?Te?納米線光電探測器，并研究其在長波紅外波段的響應(yīng)，確定其響應(yīng)機制為光熱電效應(yīng)。調(diào)變電極材料與厚度，實現(xiàn)了高響應(yīng)電壓輸出。進一步地，構(gòu)造非對稱電極結(jié)構(gòu)，解決了在全局光照明下微納光熱電探測器無輸出信號的問題。該探測器在10.6 μm激光照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，響應(yīng)度可達17 V/W，響應(yīng)時間為53 μs，噪聲等效功率為0.22 nW·Hz-1/2。本文的研究結(jié)果可為開發(fā)高性能的二維材料光熱電探測器提供參考，為小型化集成的長波紅外探測器提供新的思路。

審核編輯：劉清