大面积SnS2、SnSe2二维材料可穿戴光电探测器应用的基础研究

Smart wearable photodetectors have drawn great attention for their great application value in such fields as image sensing, optical communication, fire detection, biomedical imaging, environmental monitoring, space exploration and safety detection. However, commercial crystalline silicon or III-V alloy semiconductor photodetectors are difficult to meet the application requirements of wearable devices due to their fragility, high cost and low performance. In addition, the MBE and CVD methods which are still in the research stage of the laboratory are not in conformity with commercial practical standards due to their complicated equipment, high cost and high preparation temperature. In contrast, IVA-VIA two-dimensional materials prepared by PLD not only have high mobility, high light absorption coefficient, good mechanical flexibility, but also large-scale, environmental friendliness and low cost. Therefore, the IVA-VIA two-dimensional materials are expected to be the new favorite to build high-performance wearable photodetectors. Here, we intend to use PLD technology to prepare large-scale, high-quality SnS2 and SnSe2 two-dimensional material films. Then, we characterize and analyze their photodetection mechanism, design and optimize their device structure system. Finally, we achieve flexible, low cost, high performance wearable photodetectors, offering a new insight into the development of flexible optoelectronics.

智能可穿戴光电探测器因在图像传感、光通信、火灾检测、生物医学成像、环境监测、空间探测与安全检测等领域的重大应用价值而倍受瞩目。但目前，商用的晶体硅或Ⅲ-V族合金半导体光电探测器因易碎、成本高、性能低而难以满足可穿戴设备的应用要求；尚处于实验室研究阶段的用MBE和CVD方法制备二维材料因设备复杂、成本高、制备温度高等缺点也不符合商业化实用标准。相比之下，通过PLD制备的IVA-VIA族二维材料不但迁移率高、光吸收系数高、机械柔韧性好，并且面积大、环境友好、成本低，有望成为构建高性能可穿戴光电探测器的新宠。于此，我们拟采用PLD技术制备大面积、高质量的SnS2和SnSe2二维材料薄膜；表征并分析其光电探测机制，设计并优化其器件结构体系，最终实现柔性、低成本、高性能可穿戴光电探测器的构筑，为柔性光电子学的发展提供新思路。

以SnS2、SnSe2为代表的IVA-VIA族二维材料具有独特的光学能带结构和强的光-物质相互作用，是新一代光电探测器的热门研究对象。目前，难以大面积、高质量的制备二维材料样品是制约其商业化应用的瓶颈所在。本项目采用脉冲激光沉积（PLD）技术，实现了厘米级、高结晶度二维SnS2、SnSe2薄膜的可控制备。之后，构筑相关的柔性可穿戴光电探测器，分析器件的光电响应机制，优化器件结构。最后，还拓展探索了In2S3、In2Se3等其他二维材料及其异质结的光电响应情况，为二维材料的商业化应用提供实验基础。本项目取得的主要研究成果有：1，优化PLD参数，制备出了一系列厘米级、高质量、不同厚度的二维SnS2、SnSe2和In2Se3薄膜样品，并原位制备了其异质结构。2，构筑了相应的光电探测器阵列，测试并对比分析了光电响应性质。结果表明，所制备的二维材料均有光电响应特性，异质结器件能够联合两种材料的优点，在界面处形成II型异质结，提升器件性能。例如，SnSe2/In2Se3器件具有6.3pA 的超低暗电流，8.8×1011Jones的探测度（D*），较单种材料器件提升一个数量级。同时，器件间的性能偏差小于5%，适合于成像应用。3，采用在电极上自组装的方式，在聚酰亚胺（PI）衬底上构建出了柔性SnSe2/In2Se3光电探测器阵列。这些柔性器件也显示出色的光探测能力：探测度1012Jones，弱光（47μW/cm2）下信噪比仍有80。此外，器件运行500个周期以及60度弯曲200次后，光电响应偏差不超过2%，具有良好的稳定性与可靠性。4，采用物理气相外延法（PVE）和机械剥离技术制备了In2S3、In2Se3等其他二维材料及其异质结，构建了一系列性能优越的光电探测器件。相关研究结果为二维材料在柔性光探测、成像等领域的应用提供了技术支持。