局域场调控的低维材料PN结宽波段光电探测器

In the flexible photo detection field, novel device structures of low-dimensional materials have aroused widespread concern in recent years, but the detection efficiency and other performance are to be improved. This project proposes a new structure device using ferroelectric polymer P (VDF-TrFE) as the gate to control the formation and regulation of the PN junction in low dimensional materials. Since the ferroelectric polymer has a remnant polarization remaining after poling, it can form a strong local electric field applied on the bipolar low-dimensional materials (WSe2, WS2, Phosphorene, MoTe2, etc.). This local electric field can regulate the inside carrier concentration and the type of doping. With opposite directions of the remnant polarization, an ideal in-plane PN junction can be formed in the bipolar low dimensional materials, making it an effective photo detector. Meanwhile, in the infrared band with the pyroelectric effect, the remnant fields will be changed, causing changes in the PN junction region. It can widen the detection range with two detection effects working in the same device. By using ferroelectric polymer materials to regulate the bipolar low-dimensional materials, we aim to develop a broad-band, high sensitivity, high stability and flexible detector. Its intrinsic physical mechanisms can be studied. Material systems, the regulation of the PN junction, the device structure and the working processes will determine the overall performance, constituting the main contents of this research project.

在柔性光电探测领域，基于低维材料的新型器件结构近年来引起了广泛关注，但探测效率等性能指标都有待提高。本项目提出了一种新型基于有机铁电材料局域场调控的低维材料PN结，利用铁电聚合物P(VDF-TrFE)作为栅介质制备低维材料场效应管。由于铁电材料具有剩余极化，在外加电场撤掉后仍存在极化电荷，能形成局域强电场，对双极性低维材料内部载流子浓度以及掺杂类型进行调控，两边掺杂类型不同，形成理想的面内PN 结，使其对光信号进行有效探测。同时，由于P(VDF-TrFE)的热释电效应，在红外信号作用下，其极化强度将会发生变化，引起PN结区的变化。两种效应的共同存在，可以拓宽此种结构的响应波段。利用有机铁电材料来调控双极性低维材料，旨在研制出宽波段、高灵敏度、高稳定性的柔性探测器件，并研究其内在物理机制。材料体系、局域场调控作用、器件结构和工艺路线将决定器件整体性能，构成了本项目研究的主要内容。

在国家自然科学基金委面上项目（61674158）的资助下，四年来，通过系列的材料和工艺的探索，我们实现了铁电极化场对多种低维半导体材料的调控，包括了MoS2，石墨烯，WSe2，MoTe2，MoSe2，二维钙钛矿等，明确了局域极化场可以等效地实现栅调控作用，对于双极性材料实现对载流子浓度和掺杂类型的调控，进一步地通过在铁电层构建不同取向的铁电畴，在畴壁对应的低维半导体内部产生PN结，从而得到具有光电响应或存储效应的功能器件。在此过程中，我们还将铁电材料对应的热释电型红外探测器件与低维半导体材料对应的光电型探测器集成到一个器件中，利用光热和光电两种效应，实现了超宽波段的光电探测。这些工作由于使用了有机铁电材料以及超薄的低维半导体材料，完全可以在柔性衬底上进行制备。鉴于工艺上的难度，仅在部分试验工作中我们采用了聚酰亚胺柔性衬底，未来将会继续探索大面阵柔性探测器件的制备工艺和应用拓展。.本项目从材料体系出发，系统地就铁电局域场调控机制、低维半导体物理、器件结构和工艺路线进行了研究。项目实现了预期的原型器件构建，提升了器件的整体性能,对于材料科学与电子信息科学的交叉发展，提供了新的思路。项目共计发表论文16篇。.在本项目支持下，我们同时申请了国家自然科学基金中俄合作交流项目一项(62011530043)，目前已有双方合作发表论文2篇，进一步推动了学科的国际合作发展。