基于WSe2/ReSe2范德华异质结的偏振敏感型近红外(NIR)光电探测器

研究背景

光电探测器是许多光电应用的重要组成部分。除了传统的光电探测之外，偏振光探测作为一种有前途的技术已引起了极大的关注，可用于量子信息、密码学和三维(3D)显示等各种领域。特别是，线偏振(LP)敏感的光电探测器可广泛用于新兴的成像系统。基于LP敏感探测器的图像传感器可以消除不需要的眩光和反射，使原本难以识别的人造物体可视化。因此，对具有本征偏振敏感性的不对称低维半导体的探索引起了相当大的研究兴趣。在这种情况下，具有面内各向异性的2D范德华(vdW)层状半导体是用于LP敏感光电探测的有希望候选材料。此外，vdW异质结可以通过简单地堆叠不同的2D材料轻松实现，而不受原子晶格匹配的限制，这为高性能光电应用提供了器件平台。

成果介绍

图文导读

图1. 2D WSe2/ReSe2异质结和器件示意图。（a）2D WSe2/ReSe2异质结光电二极管的3D示意图、OM图像和能带图。（b）ReSe2和WSe2纳米片的AFM高度图。（c）ReSe2和WSe2对各种LP光角度的微聚焦吸收光谱。

WSe2/ReSe2异质结的能带图，如图1a所示。WSe2/ReSe2异质结是一种交错（II型）的异质结，具有提高光电二极管性能的潜力。此外，超过1 eV的大有效带隙（ReSe2电子亲和力与WSe2电离能之间的能量差）将导致光伏行为中相当大的开路电压。图1a中还显示了WSe2/ReSe2异质结光电二极管的3D示意图和OM图像。在半垂直结构中，Pt底部电极与WSe2/ReSe2异质结重叠，减少了作为寄生电阻的准中性区域。因此，可以实现显著的光伏效应和高光电探测性能。根据AFM高度图，如图1b所示，ReSe2和WSe2的厚度分别为50和6 nm。为了在异质结光电二极管中获得足够LP相关的光吸收，与WSe2相比，使用了明显更厚的ReSe2层。吸收光谱是一个重要因素，它可以与光电二极管的光电特性直接相关。图1c显示了ReSe2和WSe2在不同LP光角度（间隔30°）下的微聚焦吸收光谱。与ReSe2的b轴平行方向上的LP光设置为0°。在ReSe2层中，可以清楚地观察到由面内不对称引起的强烈LP相关的激子跃迁。相比之下，具有面内对称性的WSe2层显示出与LP无关的激子跃迁。值得注意的是，ReSe2和WSe2的第一个激子峰是不同的。WSe2中LP无关吸收行为可以在低于约800 nm的光谱范围内漂白ReSe2中LP相关的特性，表明使用WSe2/ReSe2异质结进行NIR（约980 nm）LP选择性探测是可行的。

图2. WSe2/ReSe2光电二极管特性。（a）WSe2/ReSe2异质结光电二极管在近红外（NIR；980、850和808 nm）和可见光（638、532、450和405 nm）照射下的暗和光致I-V特性。（b）填充因子和功率转换效率与波长的关系。（c）光伏（V=0 V）和光电导模式（V=-1 V）下的光谱光响应率。（d）光电流分布与施加电压和980 nm NIR光照功率密度的关系。（e）光电流与光照功率密度的关系。（f）归一化光响应与频率的关系。

在对WSe2/ReSe2光电二极管进行LP敏感表征之前，对其一般的光电探测性能进行了研究。如图2a所示，WSe2/ReSe2光电二极管表现出典型的II型异质结p-n二极管行为，具有相对较好的电学性能（理想因子为1.67，整流比超过104），并且在405 nm可见光至980 nm NIR光的光谱范围内具有宽谱光响应。填充因子和功率转换效率(PCE)与光照波长的关系如图2b所示，在638 nm光照下实现了9.77%的最高PCE，与最先进的2D光伏器件相当。如此出色的光伏行为归因于WSe2/ReSe2异质结更高有效带隙（更大的开路电压）和半垂直器件几何形状（降低的寄生电阻）的协同效应。光谱光响应率也直接从V=0 V（光伏模式）和V=-1 V（光电导模式）的光生电流-电压（I-V）曲线中提取，如图2c所示。对于每种模式，在638 nm光照下观察到相同的光谱行为，峰值响应率值分别为0.57 A/W（光电导模式）和0.48 A/W（光伏模式）。光敏材料的吸收率、光的穿透深度和电荷收集效率等几个因素会影响光谱响应率。WSe2/ReSe2异质结的光吸收与穿透深度之间存在权衡关系，因此，红色光照下的最高值可能表示最佳点。性能参数随光照功率的变化也是评估光电探测器一个非常重要的特性。选择了NIR 980 nm和红光638 nm两种不同的光波长，因为980 nm NIR光与LP特性有关，而638 nm红光提供最大光电流（和响应率）。随着光功率增加，光电流和开路电压都增加，如图2d和e所示。使用光电带宽系统，光伏模式操作下器件的截止频率(3 dB)估计为30 kHz(980 nm)和100 kHz(638 nm)，如图2f所示。这些快速动态响应优于ReS2或ReSe2基光电晶体管。

图3. 线性偏振(LP)敏感特性。（a）具有各种980 nm NIR LP光角度的暗和光致I-V特性。（b）极坐标中的归一化光电流图。（c&d）光电二极管LP相关的光电流成像。

图3a显示了对应于各种LP光角度的I-V特性。最大光电流是在0° LP角（平行于b轴）下实现的。随着LP角增加，光电流逐渐减小，并且在LP角为90°（垂直于b轴）下观察到最小值。在短路条件下（光伏模式），最大/最小光电流之比（偏振灵敏度）约为2。相应的归一化光电流变化如图3b的极坐标图所示。这种LP相关的光电流可以与ReSe2中LP相关的激子跃迁直接关联。值得注意的是，WSe2/ReSe2光电二极管能够选择性探测980 nm NIR LP光，这些光涉及ReSe2能带边缘周围的强极化激子跃迁。

为了进一步研究半垂直器件几何形状的影响，在不同LP角度下进行光电流成像测试。正如预期的那样，在0° LP光下观察到的光电流图像比在90° LP光下观察到的光电流图像更高。有趣的是，在底部Pt电极顶部的唯一异质结区域上强烈产生了光电流，如图3c和d所示。这些结果证明了半垂直器件几何结构的优越性。WSe2/ReSe2结区下方的底部Pt电极能够减少寄生电阻准中性区并产生强电场。因此，可以提高激子分离和电荷收集效率。此外，通过重新吸收来自Pt电极的反射光可以产生更多的激子。因此，在WSe2/ReSe2/Pt重叠区域中可以清楚地观察到更高且LP相关的光电流。

图4. 数字非相干全息术。（a）基于FINCH的全息记录系统的示意图，由旋转线性偏振器、几何相位(GP)透镜和NIR LP敏感型光电探测器组成。（b）全息记录结果。

除了基本的光电探测器单元之外，利用该光电二极管的NIR(980 nm)选择性LP探测和显著的光伏效应来演示自供电数字非相干全息3D成像。全息记录系统的示意图如图4a所示，该系统通过旋转线性偏振器、几何相位(GP)透镜和LP敏感型光电探测器的组合用作菲涅耳非相干相关全息(FINCH)系统。图4b显示了使用全息记录系统的两个目标的输出结果。利用WSe2/ReSe2器件的LP敏感光电探测能力，获得了四个相移全息图。

总结与展望

文献信息

Near-Infrared Self-Powered Linearly Polarized Photodetection and Digital Incoherent Holography Using WSe2/ReSe2 van der Waals Heterostructure

(ACS Nano, 2021, DOI:10.1021/acsnano.1c06234)

文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06234