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導(dǎo)言

二維過渡金屬二硫化物（TMDs）由于其表面無懸垂鍵貢獻法治、可調(diào)節(jié)的帶隙和高載流子遷移率等特性，在光電器件領(lǐng)域具有巨大潛力發展需要。其中攻堅克難，二硒化鉑（PtSe2）被認(rèn)為是制備高性能紅外光電探測(cè)器的理想材料之一。其層間可調(diào)帶隙范圍為0-1.2 eV顯示，可通過改變薄膜厚度實(shí)現(xiàn)從半導(dǎo)體到半金屬的轉(zhuǎn)變雙向互動，吸收光譜覆蓋可見光到中紅外波段。然而設計能力，目前報(bào)道的大多數(shù)2D-3D結(jié)合的器件均為p-n異質(zhì)結(jié)器件品牌，采用輕摻雜或重?fù)诫s的n型襯底，這既作為光吸收層更為一致，又作為載流子傳輸層等形式，影響了載流子在n型體材料中的有效傳輸。同時(shí)研究與應用，二維材料與輕摻雜或重?fù)诫s的n型襯底的接觸界面存在較多缺陷飛躍，導(dǎo)致光生載流子在界面分離時(shí)存在嚴(yán)重復(fù)合損失，使得光電流與光功率之間的擬合值θ無法達(dá)到理想狀態(tài)的發生。光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性組成部分、接近理想狀態(tài)以及寬光譜紅外探測(cè)的關(guān)鍵問題集成。

相關(guān)成果以“基于Si/SOI晶圓鍵合剝離的高質(zhì)量超純本征硅薄膜的穩(wěn)定自供電寬帶PtSe2/Si Pin 紅外光電探測(cè)器”為題發(fā)表重要手段。希望該研究能為您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。

正文

二維過渡金屬二硫化物（TMDs）因其表面無懸垂鍵穩定性、可調(diào)帶隙和高載流子遷移率等特性像一棵樹，在光電器件領(lǐng)域備受關(guān)注。PtSe2 作為一種*具前景的 TMDs 材料去突破，其帶隙可通過改變薄膜厚度在 0-1.2 eV 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)能運用，覆蓋從可見光到中紅外譜區(qū)的吸收范圍。此外智能設備，PtSe2 具有高載流子遷移率和化學(xué)穩(wěn)定性不可缺少，有助于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)時(shí)間和良好的空氣穩(wěn)定性。

過去五年中特點，研究人員致力于開發(fā)集成 PtSe2 與塊體材料的 p-n 異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器積極回應。例如，2021 年 Lu 等人在鍺（Ge）基底上構(gòu)建了多層 PtSe2/Ge 異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器陣列又進了一步；2022 年 Ye 等人通過引入約 3 nm 厚的 SiO2 絕緣層多種場景，制備了與 CMOS 兼容的 PtSe2/超薄 SiO2/Si 自驅(qū)動(dòng)光電探測(cè)器；2023 年 Li 等人實(shí)現(xiàn)了二維 PtSe2 薄膜在鈍化 Ge 基底上的垂直生長(zhǎng)規劃，構(gòu)建了 PtSe2/Ge 肖特基結(jié)光電探測(cè)器擴大公共數據；2024 年 Wang 等人通過在銦磷（InP）晶片上垂直堆疊二維 PtSe2 薄膜深度，開發(fā)出自供電近紅外肖特基結(jié)光電探測(cè)器。然而核心技術體系，這些 2D-3D 結(jié)合器件均為 p-n 異質(zhì)結(jié)開拓創新，且所用襯底為輕摻雜或重?fù)诫s n 型襯底，存在諸多缺陷必然趨勢，影響了載流子的有效傳輸綜合運用，并導(dǎo)致光生載流子在界面分離時(shí)的復(fù)合損失嚴(yán)重，θ 值未能達(dá)到理想狀態(tài)的方法。

鑒于此實事求是，本研究采用疏水鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)無氣泡善謀新篇、高強(qiáng)度不久前、無氧化層的 n+-Si/SOI 晶片鍵合實現，剝離出高質(zhì)量超純 i-Si 層精準調控，制備出新型 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測(cè)器提升。該器件在室溫下實(shí)現(xiàn)了從 532 到 2200 nm 的寬譜探測(cè)物聯與互聯，整流比高達(dá) 2.1×10?也逐步提升，θ 值在 3.5 mW 光功率范圍內(nèi)達(dá)到理想狀態(tài)的 1合作，響應(yīng)度（R）和比探測(cè)率（D*）幾乎不依賴于功率優化服務策略，分別為 46.5 mA/W 和 1.94×1011 Jones關規定，顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，理想因子（n）低至 1.2兩個角度入手，接近理想狀態(tài)建強保護，激活能約為 0.52 eV，接近 Si 帶隙的一半生產效率，表明器件中的載流子傳輸為復(fù)合機(jī)制使命責任。這項(xiàng)工作首*將晶片鍵合與二維材料轉(zhuǎn)移相結(jié)合，構(gòu)建范德華異質(zhì)結(jié)使用，為 2D-3D 硅基 pin 光電探測(cè)器的制造提供了新方法合規意識。

結(jié)果與討論

器件制備與結(jié)構(gòu)表征

研究團(tuán)隊(duì)采用疏水鍵合技術(shù)制備 i-Si/n+-Si 襯底。通過 RCA 方法對(duì) SOI 晶片和 n+-Si 晶片進(jìn)行清洗有效性，然后浸泡在稀釋的 HF 溶液中獲得疏水表面創新內容，將兩者鍵合在一起，并在高溫管式爐中退火以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鍵合廣泛關註。通過機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕方法剝離出高質(zhì)量超純 i-Si 頂層善於監督，形成 i-Si/n+-Si 結(jié)構(gòu)。接著深入實施，采用熱輔助轉(zhuǎn)換法（TAC）制備 PtSe2 薄膜至關重要，將其轉(zhuǎn)移至疏水鍵合的 i-Si/n+-Si 襯底上，完成 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測(cè)器的制備。

圖1 （a）PtSe?薄膜的拉曼光譜有所應。（b）沉積于SiO?/Si基底上的PtSe?薄膜的X射線衍射（XRD）圖譜足了準備。（c，d）PtSe?薄膜的X射線光電子能譜（XPS）著力提升，分別為Pt 4f和Se 3d譜圖深刻內涵。（e）PtSe?薄膜的原子力顯微鏡（AFM）圖像。（f）PtSe?的透射電子顯微鏡（TEM）圖像融合。（g）覆蓋PtSe?薄膜的3英寸SiO?/Si基底的照片深入闡釋。（h）拉曼光譜中Y軸數(shù)據(jù)彩色映射的三維瀑布圖。（i）3英寸硒化物樣品的A?g/Eg峰面積與半高寬（FWHM）關(guān)系圖完成的事情。

材料結(jié)構(gòu)與晶體質(zhì)量分析

研究團(tuán)隊(duì)使用拉曼光譜儀（ZOLIX, RTS-mini）物聯與互聯、X 射線衍射儀（XRD Rigaku Ultima IV）、掃描聲學(xué)顯微鏡（CSAM, UESTAR, AM-300）等設(shè)備對(duì) PtSe2 薄膜及器件的結(jié)構(gòu)特性協同控製、晶體質(zhì)量振奮起來、鍵合界面氣泡狀況及鍵合面積等進(jìn)行了全面表征。結(jié)果表明利用好，所制備的 PtSe2 薄膜具有高結(jié)晶度和單向取向深入各系統，XPS 分析進(jìn)一步確認(rèn)了 Pt 和 Se 原子的化學(xué)成分和結(jié)合能，SEM 和 AFM 測(cè)試顯示 PtSe2 薄膜具有大面積均勻性和高質(zhì)量的表面形貌系列。

光電性能測(cè)試與分析

研究還對(duì)比了線性PEI（PEIL）作用、支化PEI（PEIB）和乙氧基化PEI（PEIE）的鈍化效果。結(jié)果表明慢體驗，PEIE在溶液加工性和界面鈍化效果上具有最佳平衡著力增加。支化PEI雖然也能提升Voc，但對(duì)Jsc的影響較大重要組成部分；而線性PEI則對(duì)Voc提升有限流程。

圖2 （a）器件結(jié)構(gòu)示意圖合作。（b）不同溫度下的I?V特性曲線.（c）活化能.（d）理想因子勃勃生機。（e?i）532至2200納米的光響應(yīng)。

本文中使用的拉曼探測(cè)系統(tǒng)是卓立漢光公司的RTS-mini 經(jīng)濟(jì)型光纖共焦拉曼系統(tǒng)極致用戶體驗。擁有Plug-in 特點(diǎn)的RTS-mini 共聚焦拉曼顯微系統(tǒng)提供有力支撐，可跟多種顯微鏡和光譜儀聯(lián)用，提供*佳的靈敏度和空間分辨率建議。除了在現(xiàn)有的顯微鏡上升級(jí)共聚焦系統(tǒng)外品率，通過靈活地配置光譜儀和探測(cè)器，可以打造出針對(duì)客戶應(yīng)用的專屬系統(tǒng)配置不斷發展。廣泛用于各類工業(yè)應(yīng)用積極影響，如質(zhì)檢，安檢，刑偵越來越重要，生物醫(yī)療線上線下，制藥等需要高拉曼靈敏度的應(yīng)用領(lǐng)域，并且由于可提供免費(fèi)的軟件開發(fā)包醒悟，并且提供Micromanager 接口數據顯示，使得系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)及聯(lián)用工作可以輕松展開。

本文中使用的光電測(cè)試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR300微納器件光譜響應(yīng)度測(cè)試系統(tǒng)也逐步提升。DSR300微納器件光譜響應(yīng)度測(cè)試系統(tǒng)是一款專用于低微材料光電測(cè)試的系統(tǒng)記得牢。其功能全面，提供多種重要參數(shù)測(cè)試認為。系統(tǒng)集成高精度光譜掃描服務好，光電流掃描以及光響應(yīng)速率測(cè)試。40μm探測(cè)光斑反應能力，實(shí)現(xiàn)百微米級(jí)探測(cè)器的絕對(duì)光譜祥響應(yīng)度測(cè)量發展邏輯。超高穩(wěn)定性光源支持長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)測(cè)試，豐富的光源選擇以及多層光學(xué)光路設(shè)計(jì)可擴(kuò)展多路光源有所提升，例如超連續(xù)白光激光器聽得進，皮秒脈沖激光器，半導(dǎo)體激光器先進水平，鹵素?zé)舯憷?，氙燈等，滿足不同探測(cè)器測(cè)試功能的要求重要平臺，是微納器件研究的優(yōu)選深刻認識。

響應(yīng)速度與穩(wěn)定性測(cè)試

研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)器件的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。在 -2 V 偏壓下應用提升，器件在 1000 Hz 光照頻率下的響應(yīng)曲線顯示出較為穩(wěn)定的光電響應(yīng)主動性，上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為約 70 μs 和 290 μs。經(jīng)過 1700 次重復(fù)刺激后發展的關鍵，器件仍保持一致的光響應(yīng)道路，光電流衰減極小，證明了器件具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性真諦所在。

圖3（a）能帶結(jié)構(gòu)圖指導。（b）時(shí)域光響應(yīng)特性。（c）開路電壓與短路電流充分。（d）0 V和?2 V下的噪聲電流進一步完善。（e）0 V和（f）?2 V下響應(yīng)度與比探測(cè)度隨入射光功率的變化關(guān)系。（g）器件的線性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）競爭力。（h）光電流與光功率的擬合曲線調整推進。（i）本文與其它文獻(xiàn)中擬合參數(shù)的對(duì)比狀況。

結(jié)論

本研究通過結(jié)合傳統(tǒng)晶片鍵合技術(shù)和二維材料薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，成功制備了 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測(cè)器機製。該器件展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能和穩(wěn)定性同期，包括高整流比、低理想因子使命責任、寬譜響應(yīng)以及理想的 θ 值等效果。與常規(guī) 2D-3D p-n 異質(zhì)結(jié)相比，高質(zhì)量 i-Si 層的引入增強(qiáng)了 p-PtSe2 與 Si 的粘附性情況較常見，減少了界面缺陷復(fù)合可持續，提高了器件穩(wěn)定性。這一成果為未來高性能 2D-3D 光電探測(cè)器的發(fā)展提供了新的理論見解和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)體製。

通訊作者及其團(tuán)隊(duì)介紹

柯少穎構建，閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院副教授，福建省光場(chǎng)操縱與系統(tǒng)集成應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員服務延伸。長(zhǎng)期致力于低維材料光電器件領(lǐng)域的研究共創輝煌，主持和參與多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目進一步，在 ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊發(fā)表多篇高水平論文大部分，為推動(dòng)低維材料在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。

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本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司RTS-mini 經(jīng)濟(jì)型光纖共焦拉曼系統(tǒng)以及DSR300微納器件光譜響應(yīng)度測(cè)試系統(tǒng)實際需求。如需了解相關(guān)產(chǎn)品解決方案，歡迎咨詢。

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