Nano Res.[器件]│台国安教授课题组：硼烯-石墨烯异质结的制备及其高效宽带光电探测器

背景介绍

2015年，南京航空航天大学台国安教授课题组首次通过化学气相沉积法在铜箔上生长出了γ-B₂₈相硼单层（Angew. Chem. In. Ed., 2015, 54, 15473-15477），随后美国阿贡国家实验室和美国西北大学课题组以及中科院物理研究所在超洁净银单晶表面生长出二维硼单层（硼烯）（Science, 2015, 350, 1513-1516; Nat. Chem., 2016, 8, 563-568）。虽然前期国际上在广泛的金属基底上制备了硼烯材料，但是合成的硼烯展现出严重的基底依赖性使得转移面临极大挑战，因此硼烯在传感、能源、信息存储等高科技领域的进展缓慢。为了解决上述难题，台国安教授课题组提出两种方案，一是通过硼氢化合物在高温下多步热分解法宏量制备高质量超稳定的无基底二维半导体α′相氢化硼烯（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10819-10825），二是直接在云母、SiO₂等非金属基底上进行硼烯的外延生长，使之与传统硅半导体工艺相融合（ACS Appl. Mater. Inter., 2021, 13, 60987-60994；J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 8218-8226）。以此为基础，一些高性能的硼烯忆阻器（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10819-10825）、气体传感器（Nano Res., 2022, 15, 2537-2544）、压力传感器（Nano Energy, 2022, 97, 107189）、光电探测器（ACS Appl. Mater. Inter., 2021, 13, 60987-60994）和水力发电机（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 8218-8226）相继被实验报道。此外，硼烯的异质结构也被实验制备，并展示出优异的湿度传感和存储性能（硼烯-石墨烯湿度传感器，Nano Res. 2021, 14, 2337-2344；硼烯-二硫化钼多功能器件，J. Mater. Chem. A 2021, 9, 13100-13108硼烯-氧化锌异质结基非易失存储器，Nano Res. 2023, 16, 5826-5833）。该系列研究成果为实验上开展硼烯基器件的研究提供了前提与保障。

在过去的几十年里，各种光电探测器已经在特定的波长范围内被探索和使用。为了进一步扩大光电子系统的完整性，需要一种能够在宽波段光源下进行多频段探测的光电探测器。二维材料异质结构成为纳米光电子系统领域的热点。这种异质结构的物理特性通常能够高精度地再现其中包含的各个组分的特性。石墨烯因其原子级平坦且没有悬空键，是其他二维材料的生长的理想模板。此前通过化学气相沉积法合成硼烯的研究表明，硼烯的结构和形态可以通过晶格匹配、电荷转移和氢化等硼烯-基底界面相互作用来改变。此外，理论计算表明，氢化硼烯-石墨烯异质结构均可产生高吸收系数值和受限宽带的等离子体激元，并且硼烯可以在从红外到紫外广泛的波长范围内产生低损耗的表面等离子体激元，使其成为构建低损耗宽带光电器件的潜在材料。理论上已经提出了大量硼烯和其他二维材料的异质结。然而，由于尚未合成出可用于制造二维光电器件的原位硼烯基异质结构，因此对此的实验研究仍然缺乏。

成果简介

近日，南京航空航天大学台国安教授课题组用化学气相沉积的方法成功原位制备出硼烯-石墨烯异质结，首次构筑了硼烯-石墨烯异质结（B/Gr）基宽波段光电探测器，展示出其在光电探测器件上的应用潜力。基于硼烯的光电探测器显示出从紫外（255 nm）到红外（940 nm）波长的宽带光响应。在2 V反向偏压下，该光电探测器表现出9.13 AW^-1的高光响应度、5.91 × 10¹² Jones的高比探测率、快的光响应速度（τ_res = 0.29 s，τ_rec = 0.1 s）以及在365 nm波长紫外光照射下具有高达10³的高光开关比，明显优于此前报道的硼纳米片，这项工作为下一代光电信息器件提供了一种有前景的材料储备。

图文导读

南京航空航天大学台国安教授课题组通过化学气相沉积法制备了硼烯-石墨烯异质结，并且利用该新型异质结与硅结合计了一种宽波段光电探测器，器件可以在波长为255-940 nm的紫外到近红外波段有非常好的光响应。

图一：硼烯-石墨烯异质结构在铜箔衬底上的生长图和晶体结构。(a) 铜箔上石墨烯和B/Gr异质结构的简化生长图。(b) 硼烯和石墨烯的原子结构示意图。(c)典型B/Gr异质结构的光学图像。(d) Si/SiO₂上B/Gr异质结构的AFM图像。

图二：硼烯-石墨烯异质结的形貌和结构表征(a) B/Gr的低分辨率SEM图像。(b) B/Gr的高分辨率SEM图像。(c) 典型B/Gr的低分辨率TEM 图像。(d) 来自(c)中红色区域的硼烯的HRTEM图像。(e) 从(d)中的蓝色区域导出的相应快速傅里叶变换模式HRTEM图像。(f) 相应的SAED模式。(g) (c)中绿色区域的石墨烯HRTEM图像。(h)石墨烯上预测的α’-2H-硼烯的理论模型。(i) 从计算模型中提取的HRTEM图像以及相应的计算 SAED 图案。

图三：硼烯-石墨烯异质结的结构和光学表征(a) Cu基底上B/Gr薄膜的全尺寸XPS测量。(b) B1s的高分辨率XPS谱。(c) C1s的高分辨率XPS谱。(d) B/Gr薄膜的FTIR光谱。(e) SiO₂/Si及其上的石墨烯的拉曼光谱。(f) SiO₂/Si基底上的B/Gr薄膜的拉曼光谱。

图四：B/Gr-Si肖特基结光电探测器的宽带光电特性。(a) 在254-940 nm LED光激发下B/Gr-Si肖特基结宽带光电探测器的示意图。插图显示了B/Gr-Si肖特基结的示意图。(b) 器件在黑暗条件下的I-V和相应的对数曲线。(c) 器件面积为0.04 cm²的B/Gr-Si肖特基结光电探测器，在光强为2 mWcm⁻² 左右不同光波(254–940 nm)下的电流-电压特性。(d) 在2 V反向偏压下，光电探测器在不同光波(254–940 nm)下的平均光电流响应度。(e) 未施加电场时B/Gr-Si肖特基结的能带示意图。(f) B/Gr-Si界面功函数的调制。

图五：B/Gr-Si肖特基结光电探测器的紫外光电特性：(a) 所制作的B/Gr-Si肖特基结光电探测器在365 nm LED光激发下的示意图。(b) 光电流作为黑暗中和不同入射光功率下外部反向偏压的函数。(c) 2 V反向偏压下，B/Gr-Si肖特基结光电探测器的光电流密度与照明强度的函数关系。(d) 光电探测器的探测率和光电流响应度(0-4 V)与反向偏压相关）。(e) 2 V反向偏压不同光照强度下，器件的时间分辨光响应。(f) 功率为1.53 mW cm^-2 的光源在开和关状态下的单周期响应。

作者简介

通讯作者：台国安，南京航空航天大学教授，博士生导师。机械结构力学及控制国家重点实验室和纳智能材料器件教育部重点实验室固定人员。目前主要从事硼烯、硫化钼、石墨烯二维原子晶体材料的构筑以及多场耦合器件性能调控研究。已在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Res.、Appl. Phys. Lett.等国内外期刊发表80余篇学术论文，其中SCI学术论文68 篇，被SCI他引3600余次，第一作者论文单篇最高引用260余次。在国际上首次报道了制备硼单层的实验工作，被Nature期刊以“Boron made into 2D sheet”为题作了亮点报道(Nature, 2015, 527, 136)，英国皇家化学会的Chemistry world上以“Flat boron first looks promising for nano-electronics”为题进行了专题报道，美国化学学会的Chemical &Engineering News 以题为”Research Teams Make First 2-D Sheets of Boron”作了高度评价。主持和参与国家自然科学基金5项，江苏省自然科学基金面上项目3项，以及教育部博士点基金、博士后特别资助基金等项目十余项。作为学术骨干参与国家纳米制造重大研究计划、973计划等科研项目。入选2023年江苏省“青蓝人才工程”学术带头人，入选2018年南京航空航天大学“长空英才”计划，2017年江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养计划。获2011年教育部“高等学校科学研究优秀成果奖”自然科学奖一等奖（排名第六），2012年获全国优秀博士论文提名和2010年江苏省优秀博士学位论文。

第一作者：伍增辉，南京航空航天大学2019级博士生，主要研究方向为硼基二维材料的制备及其器件研究。

本课题组欢迎力学、材料、物理、航空航天和人工智能等背景的优秀学子来实验室进一步深造，我们有着良好的科研平台，浓厚的学术气氛。学生的才能可以得到自由自主的充分发挥，期待你的加入使得我们“硼必生辉，硼程万里”！E-mail: taiguoan@nuaa.edu.cn。

文章信息

Wu Z, Shifan C, Wu Z, et al. Epitaxial growth of borophene on graphene surface towards efficient and broadband photodetector. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6109-9.https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-023-6109-9