郑州大学史志锋等人Mater. Horiz.：基于铜基卤化物纳米线的偏振敏感型柔性紫外光电探测器

【引言】

偏振是光的基本属性之一，任何目标在反射和发射电磁辐射的过程中都会表现出由它们自身特征（例如粗糙度、空隙度、含水量、构成材料的理化特性等）和光学基本定律（例如菲涅耳公式）所决定的偏振特性。对偏振光的探测可以把信息量从三维（光强、光谱和空间）扩充到七维（光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、偏振椭率和旋转的方向）。近年来，随着军事和民用领域（如遥感成像、光通信、医疗检测、导航和光学雷达等）对高性能光电探测器的重大需求，使得研发高偏振敏感的光电探测器显得尤为迫切，并呈现出向着小型化、模块化的高度集成器件方向发展。作为一种特殊的光电器件，偏振光探测器的制备对工作介质有很高的要求，除了优良的光吸收能力外，还包括材料本身的形态和不对称的晶体结构等，上述特性使得材料能够展现出各向异性的光响应能力。目前，已报道的偏振光探测器大多是基于低维半导体材料制备的，其在结构上的明显各向异性非常适合用于偏振光探测器的工作介质。其中，二维材料又是一类很具代表性的低维半导体，如黑磷、锗烯、锑烯、GaTe，PdSe₂和GeAs等，并在超薄器件、柔性和可穿戴设备等领域展现出优势。然而，上述材料的空气稳定性较差、合成工艺复杂，且器件制备时通常需要湿法转移技术进行辅助。此外，目前已报道的偏振光探测器更多工作在可见光和近红外光波段，而针对紫外光区域的偏振敏感型光电探测器报道相对较少。

【成果简介】

近日，郑州大学物理学院史志锋副教授、李新建教授和复旦大学方晓生教授采用改良的反溶剂结晶方法成功合成出高质量、尺寸可调的三元铜基卤化物CsCu₂I₃纳米线。该材料为直接带隙半导体，其禁带宽度高达~3.73 eV，是制备紫外光电探测器的理想候选材料。利用其各向异性晶体结构和外部一维形态特征实现了具有高线性偏振灵敏度的紫外光电探测，所获得的偏振响应灵敏度为~3.16。此外，该器件展现出高达32.3 A/W的光响应度，比探测率为1.89×10¹² Jones以及6.94/214 μs的快速光响应。进一步，通过将器件移植到柔性基板上，在重复弯曲1000次之后，该探测器几乎没有光电流衰减，展现出良好的弯曲耐久性和工作稳定性。上述研究成果为设计和制备高效稳定的偏振敏感型紫外光探测器提供了新的方案。相关研究成果以“Solution-Processed One-Dimensional CsCu₂I₃ Nanowires for Polarization-Sensitive and Flexible Ultraviolet Photodetectors”最近发表在Materials Horizons上。

【图文导读】

图一：CsCu₂I₃纳米线的合成示意图及其形貌、结构特征

（a）CsCu₂I₃纳米线的合成示意图；

（b）单根纳米线的SEM图像和EDS元素分布；

（c）单根纳米线的AFM图像；

（d−g）CsCu₂I₃纳米线的TEM图像、HRTEM图像及SAED图像。

图二：CsCu₂I₃纳米线的结晶及偏振光学特性表征

（a）CsCu₂I₃纳米线的XRD谱；

（b）CsCu₂I₃纳米线的晶体结构示意图；

（c）稳态PL和光吸收谱；

（d−f）偏振PL测试的示意图及相应的结果。

图三：CsCu₂I₃纳米线光电探测器的性能分析

（a）基于单根CsCu₂I₃纳米线的光电探测器的示意图；

（b）光电探测器的光谱响应曲线；

（c，d）不同光照射强度下器件的光电流-电压曲线和光电流-时间曲线；

（e）器件的光响应度、比探测率与光激发功率之间的关系；

（f）在266 nm脉冲激光激发下的响应曲线；

（g）连续On/off工作1000个周期，评估器件的稳定性和重复性，On/off持续时间均为1 s。

图四：CsCu₂I₃纳米线光电探测器的柔性展示

（a）器件在不同弯曲角度下暗电流和光电流的实时监测；

（b，c）在弯曲不同周期下器件的光电流-电压曲线和光电流-时间曲线对比。

图五：CsCu₂I₃纳米线光电探测器的各向异性响应

（a）偏振敏感的光电探测器示意图；

（b）在光激发下光电流的各向异性响应（光电流大小由色条表示，电压为x轴，偏振角为y轴）；

（c−e）不同直径（600 nm、6.0 µm）CsCu₂I₃纳米线光电流的偏振依赖性。

【小结】

研究人员利用改良的反溶剂结晶方法成功制备出了高质量且尺寸可控的一维CsCu₂I₃纳米线，该材料的直接宽带隙特征使得其对紫外光有出色的响应能力。通过偏振PL谱测试，研究人员首先证实了CsCu₂I₃纳米线的光学各向异性，这是由其不对称结构的固有各向异性和外部形貌各向异性共同引起的。利用CsCu₂I₃纳米线的上述特征，研究人员构筑了金属-半导体-金属结构的光电探测器，实现了约3.16的光电流各向异性比。此外，该探测器的光响应度高达32.3 A/W、比探测率为1.89×10¹² Jones、光响应速度为6.94/214 μs，明显优于传统的紫外光探测器报道。上述器件制备策略也可在柔性衬底上实现，从而为柔性可穿戴电子器件及其集成应用提供了可能的制备方案。

文献链接：Solution-Processed One-Dimensional CsCu₂I₃ Nanowires for Polarization-Sensitive and Flexible Ultraviolet Photodetectors. Mater. Horiz., 2020, DOI: 10.1039/D0MH00250J.