Nanoenergy and Biosystem Lab
Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

【Nano Today】用于超低功率UV检测的自驱动光传感

    紫外线(UV)探测在军事、环境监测、紫外通信、空间科学、生命科学等具有重要的潜在应用价值。具有合适禁带宽度(3.37 eV)的ZnO(直接带隙)是一种理想的紫外传感材料,但是金属氧化半导体在制备过程中不可避免的会存在氧空位缺陷,这导致基于金属氧化物半导体的光探测器件存在持续光电导效应(Persistent photoconductive effect),将显著的延长器件的回复时间。通过施加持续时间为ns或ms的脉冲栅压可有效的抑制器件的持续光电导效应,但这将增加器件的复杂度。具有热释电效应ZnO半导体在光照和关闭光的瞬间产生的热释电电势能够调节载流子的输运过程,光照时,热释电电势形成电流与光响应电流方向一致,撤去光源时,反向热释电电势迅速压制响应电流回复至暗态,出现反向电流值,说明反向热释电电势能够实现与施加正向脉冲栅压相同的作用。热释电电流和电压值与温度随时间的变化量成正比。目前,可以通过两种方式提高热释电电势:①在入射光功率密度一定情况下,通过降低器件温度,提高温度差,增强热释电电压/电流;②在器件温度一定的情况下,通过增加入射光的功率,增强热释电电压/电流。ZnO 对长波长的红外线具有高的光热转换能力,随着入射光波长减小,光子热效应减弱,特别是对于低功率密度的紫外光(≤μW/cm2),光激发和光热转换能力较弱,光电流和热释电电流小,检测信号弱。

    针对以上问题,中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队提出采用局域表面等离激元共振(LSPR)提高UV光照瞬间的光热能力,LSPR效应能够在100 ps内实现光热转换过程,且温度的变化高达几百 K。通过耦合LSPR和热释光电子效应,显著提高了基于ZnO的光电探测器对低功率密度紫外光的检测性能。耦合效应器件能够实现对68 nW cm2的紫外光(325 nm)高灵敏检测,响应度和比探测率分别为0.485 mA/W和2.75 ×1011 Jones。LSPR耦合热释光电子效应增强光检测的发现提供了一种实现对低功率密度光高灵敏检测的有效方法。相关成果以“Self-powered photodetector for ultralow power density UV sensing”为题发表于国际权威期刊Nano Today (https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101399)。本文第一作者为孟建平副研究员。


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