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窄帶隙半導體（如GaSb納米線）因高表面體積比導致表面態(tài)豐富、載流子濃度高，引發(fā)暗電流大、光暗電流比低、響應速度慢等問題，制約近紅外探測性能。表面鈍化、范德華集成等方法仍存在穩(wěn)定性或工藝復雜性挑戰(zhàn)。構建II型異質結，利用內建電場促進光生載流子分離，實現(xiàn)自供電探測，避免外部偏壓需求。GaSb納米線（NW，帶隙0.72 eV，高遷移率）與Bi?O?Se納米片（NS，帶隙0.8 eV）形成能帶匹配的異質結。

近日，山東大學研究團隊提出了一種新型混合維度（GaSb納米線/Bi?O?Se納米片）II型異質結的構建及其在自供電近紅外光電探測與光通信中的應用。通過化學氣相沉積（CVD）制備材料，結合接觸印刷技術形成有序納米線陣列異質結。該異質結憑借~140 meV的內置電場，實現(xiàn)了超低暗電流（0.07 pA–0.08 pA）、高光暗電流比（82–182）和超快響應（<2/2 ms–6/4 ms）。該異質結器件在零偏壓下展示了寬帶近紅外探測能力，并成功應用于成像和光通信系統(tǒng)，為高性能自供電光電探測器提供了新平臺。這項研究以“Mixed-Dimensional Nanowires/Nanosheet Heterojunction of GaSb/Bi2O2Se for Self-Powered Near-Infrared Photodetection and Photocommunication”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊上。

GaSb納米線和Bi?O?Se納米片是在雙區(qū)管式爐中通過化學氣相沉積（CVD）方法制備的。GaSb納米線和Bi?O?Se納米片通過PMMA輔助濕轉移法構建混合維度異質結。該異質結的結構表征、表面電位差分布如圖1所示。

圖1 GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質結的構建

在成功構建納米線/納米片異質結后，研究人員探究了該器件的光探測行為。得益于GaSb和Bi?O?Se的窄帶隙，所制備的納米線、納米片和納米線/納米片異質結光電探測器都表現(xiàn)出寬帶光探測能力，相關結果如圖2所示。

圖2 GaSb納米線、Bi?O?Se納米片及GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質結的光電探測行為

內置電場有助于GaSb納米線/Bi?O?Se納米片異質結光電探測器的自供電近紅外光探測行為，在520 nm和1310 nm激光照明下，研究人員還進一步探究了納米線/納米片異質結光電探測器的自供電光探測行為，相關結果如圖3所示。

圖3 GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質結的自供電近紅外光探測性能

有序納米線陣列被認為是光電子器件大規(guī)模集成的有前途的候選者。圖4研究了GaSb納米線陣列和GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質結光電探測器的光電探測行為。結果表明，該器件的出色的光探測性能使納米線陣列/納米片混合維度異質結成為自供電近紅外光探測的有效策略。

圖4 GaSb納米線陣列和GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度異質結光電探測性能

最后，研究人員基于納米線陣列/納米片混合維度異質結自供電光電探測器進行單像素成像和光通信應用，相關結果如圖5所示。結果顯示，該異質結器件憑借其超快光響應和卓越的感光靈敏度，在近紅外成像和光通信方面具有廣闊的前景。

圖5 成像與光通信應用演示

綜上所述，這項研究成功構建GaSb納米線/Bi?O?Se納米片混合維度II型異質結。該異質結器件在零偏壓下實現(xiàn)高性能自供電近紅外探測：超低暗電流（0.07–0.08 pA）、高光暗電流比（82–182）、超快響應（<2–6 ms）。納米線陣列異質結進一步增大光電流（提升2倍），適用于成像與光通信。這項研究演示了自供電近紅外成像和光通信功能，為物聯(lián)網(wǎng)和低功耗光電子器件提供新方案。