中科院重庆绿色智能技术研究院魏兴战AOM：基于石墨烯-硫化铅纳米立方体-石墨烯结构的垂直型光电探测器

摘要：提出了一种基于石墨烯-硫化铅(PbS)纳米立方体-石墨烯的垂直型光电探测器结构，采用电化学方法在石墨烯薄膜上原位制备出垂直排列的单晶PbS纳米立方体，并通过转移石墨烯作为器件电极，实现了电信号的有效收集。证明该探测器能够在室温条件下实现覆盖短波红外的高灵敏光电响应。

关键词：Advanced Optical Materials, 硫化铅, 石墨烯, 光电探测器, 短波红外, 中国科学院重庆绿色智能技术研究院,

图 1, 石墨烯-硫化铅(PbS)纳米立方体-石墨烯垂直型光电探测器结构示意图以及红外光照下单根PbS纳米立方中的光生载流子动态过程示意图。蓝色带“-”号和红色带“+”号的小球分别代表光生电子和空穴。蓝色横线表示了PbS纳米立方表面上的表面态。灰色区域表示这些表面态在PbS纳米立方中产生的耗尽区。红外光照下，光生空穴被界面态俘获并中和界面态的电荷，由此耗尽区收缩，使得更多电子得以通过。

PbS作为一种经典的窄带隙材料，是实现高灵敏度短波红外探测的重要选择之一。传统块体PbS一般呈现多晶状态，存在的晶界势垒在一定程度上影响了载流子输运。近年来，具有纳米尺寸的单晶PbS生长技术已经获得了突破，具有不同低维形貌的PbS材料展现出了优异的光电特性。然而，其有限的物理尺寸往往导致较低的光吸收率；此外，量子效应导致禁带宽度增加，吸收光谱发生蓝移，致使响应波段难以覆盖短波红外。

中科院重庆绿色智能技术研究院团队提出了一种基于石墨烯-PbS纳米立方体-石墨烯结构的垂直型光电探测器，其中，PbS纳米立方体作为电荷输运的沟道，石墨烯起到电极作用。该器件响应波长范围能够覆盖短波红外，在2700 nm光照下，比探测率为3×10⁹ cm·Hz^1/2·W^-1，响应时间约为15 ms。这些性能的实现，得益于纳米立方体形状的PbS材料以及垂直型器件结构，主要体现在：首先，利用电化学方法在石墨烯上原位生长的PbS纳米立方体，具有和块体PbS类似的窄带隙特征，其垂直沟道有助于增加短波红外吸收；其次，PbS纳米立方体具有相对大的比表面积，光栅压效应将主导该器件的光电流产生并带来高响应度；最后，单晶PbS纳米立方体作为垂直沟道，有效地缩短了载流子在电极间的输运距离。相关研究结果体现了材料形貌设计对于提升器件性能的重要性，为高性能铅盐红外探测器的研制提供了新方案。中科院重庆绿色智能技术研究院博士研究生付津滔和杨婵为论文的共同第一作者，魏兴战研究员为通讯作者。

论文信息：

Vertical Photodetectors Based on In Situ Aligned Single-crystalline PbS Nanocuboids Sandwiched between Graphene Electrodes

Jintao Fu, Chan Yang, Changbin Nie, Feiying Sun, Genglin Li, Shuanglong Feng, Xingzhan Wei*

Advanced Optical Materials

DOI:10.1002/adom.202300584