對于190-285 nm波段的陽光，地表是它的禁區(qū)。這一波段的陽光在穿越大氣層的過程中會被完全吸收，以至于在我們的生活空間內(nèi)，幾乎探測不到它的存在，“日盲”故此得名。如若在地表監(jiān)測到日盲紫外光信號，無疑代表導(dǎo)彈發(fā)射、炸藥爆炸、火災(zāi)、強(qiáng)閃電等特定事件的發(fā)生。因此，對日盲紫外信號的監(jiān)測在特定領(lǐng)域意義重大。目前，傳統(tǒng)日盲紫外光電探測器仍多采用硅材料，雖可實現(xiàn)紫外探測，但其效率并不理想，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，功能較為單一。
成果掠影
近日，廈門大學(xué)蔡端俊教授、陳小紅教授、李靜教授團(tuán)隊在Small期刊發(fā)表了題為“Upconversion under Photon Trapping in ZnO/BN Nanoarray: An Ultrahigh Responsivity Solar-Blind Photodetecting Paper” 的最新研究成果論文，并被選為封面文章。該工作報道了在h-BN/Cu紙表面直接異質(zhì)外延超長垂直的ZnO納米柱陣列，并結(jié)合新型Cu納米線透明柔性電極3D噴涂技術(shù)，成功研發(fā)了一種隧穿型柔性日盲紫外光電探測紙。在臨界偏壓（3.9 V）下，實現(xiàn)了單一半導(dǎo)體器件對日盲紫外光（< 280 nm）和近紫外光（365 nm）的可切換探測，展示出超高的光電響應(yīng)：R @ 700 A/W、EQE @ 2×103 @ 265 nm，R @ 8697.7 A/W、EQE @ 3×104 @ 365 nm，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的寬禁帶半導(dǎo)體光電探測器體系，是目前國際上所報道的最高值之一。同時，該光電探測紙具有很好地柔韌性、穩(wěn)定性和抗疲勞性，為未來多功、智能和高效的日盲紫外探測和可穿戴應(yīng)用開辟了可能性，預(yù)示著巨大的商用價值。
核心創(chuàng)新點
該團(tuán)隊提出并設(shè)計高規(guī)整 ZnO 納米柱陣列深光子陷阱，增強(qiáng)日盲紫外光子俘獲，構(gòu)建h-BN/ZnO 異維強(qiáng)電場界面實現(xiàn)光電倍增，以及利用微分負(fù)電阻（NDR）效應(yīng)驅(qū)動光電子上轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)移。具體地：（1）利用二維 h-BN范德華弱作用力界面釋放ZnO與Cu紙之間的失配應(yīng)力，誘導(dǎo)生長高規(guī)整 ZnO 納米柱陣列；（2）提出Cu納米線頂層透明網(wǎng)絡(luò)電極3D噴涂技術(shù)，增加日盲紫外光子透過，并通過頂層Cu納米線擾亂入射光子傳播路徑實現(xiàn)光子在ZnO 納米柱陣列內(nèi)的多級反射，將紫外光子吸收度提升 > 99.5%；（3）二維h-BN 介質(zhì)膜增加Cu/ZnO 異維界面勢壘高度，降低器件暗電流，同時形成界面電荷堆積，強(qiáng)化內(nèi)電場，增強(qiáng)載流子在隧穿過程中的碰撞電離，提升器件的光增益；（4）利用NDR效應(yīng)誘導(dǎo)ZnO相鄰能谷間的光電子轉(zhuǎn)移，形成能量分立的3.4 eV/4.5 eV光子吸收阱，在國際上首次成功利用NDR效應(yīng)實現(xiàn)了基于單一半導(dǎo)體材料的可調(diào)雙波段（UVA/UVC）探測。
數(shù)據(jù)概覽
圖1. a）Cu基二維h-BN薄膜及其 b) HR-TEM圖、c) Raman光譜；d) 無、e) 有h-BN誘導(dǎo)層的Cu 基 ZnO陣列；f) ZnO陣列（青色）及其籽晶層（粉色）的Raman光譜；g，h）ZnO陣列及其Cu 納米線頂層網(wǎng)絡(luò)透明電極；i）Cu 納米線網(wǎng)絡(luò)的透光率與方阻關(guān)系。
圖2. Cu納米線和ZnO陣列共增強(qiáng)紫外光子俘獲 (a, b) 示意圖；c)不同角度和波長入射光下，ZnO陣列內(nèi)的模擬電場分布，綠色虛線為光子傳播深度；d, e) 不同角度和波長入射光下，ZnO陣列結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)的吸光度；f) 有無Cu納米線頂層網(wǎng)絡(luò)時ZnO陣列的吸光度。
圖3. a)日盲紫外光電探測紙的結(jié)構(gòu)示意圖及其b) 能帶結(jié)構(gòu)；c，d) APSYS 軟件模擬的器件的電場分布和I-V曲線；e）暗態(tài)（青色）和紫外光（粉色）輻照下器件的 I-V 曲線；f，g）纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO的能帶結(jié)構(gòu)；g) 在強(qiáng)電場作用下，光電子從近紫外區(qū)上轉(zhuǎn)換到日盲紫外區(qū)示意圖；h，i) 不同偏壓下器件的光電流與入射紫外光波長的關(guān)系：呈現(xiàn)探測波段可調(diào)特性。
圖 4.日盲紫外光電探測紙的靈活性、可靠性和超高響應(yīng)度展示：a) 柔性 PET 基板上的Cu納米線的柔韌性和可靠性測試；b，c) 不同彎曲狀態(tài)下器件的I-t；d) 器件經(jīng)500 次彎曲測試后的I-t；e) 對業(yè)內(nèi)基于不同半導(dǎo)體材料的普通/柔性紫外光電探測器的高響應(yīng)度總結(jié)。
成果啟示
本課題組研發(fā)了一種柔性日盲紫外光電探測紙器件，可通過調(diào)控臨界外偏壓在近紫外和日盲紫外信號之間進(jìn)行切換檢測。該器件具有強(qiáng)大的可靠性和超高的響應(yīng)度，響應(yīng)度最高可達(dá)700 A/W @ 265–276 nm，8697.7 A/W @ 365 nm。本論文工作對于從新維度、新結(jié)構(gòu)、新物理、新功能等多方面探索智能、多功日盲紫外柔性光電子器件具有積極意義。
論文信息
成果掠影
近日，廈門大學(xué)蔡端俊教授、陳小紅教授、李靜教授團(tuán)隊在Small期刊發(fā)表了題為“Upconversion under Photon Trapping in ZnO/BN Nanoarray: An Ultrahigh Responsivity Solar-Blind Photodetecting Paper” 的最新研究成果論文，并被選為封面文章。該工作報道了在h-BN/Cu紙表面直接異質(zhì)外延超長垂直的ZnO納米柱陣列，并結(jié)合新型Cu納米線透明柔性電極3D噴涂技術(shù)，成功研發(fā)了一種隧穿型柔性日盲紫外光電探測紙。在臨界偏壓（3.9 V）下，實現(xiàn)了單一半導(dǎo)體器件對日盲紫外光（< 280 nm）和近紫外光（365 nm）的可切換探測，展示出超高的光電響應(yīng)：R @ 700 A/W、EQE @ 2×103 @ 265 nm，R @ 8697.7 A/W、EQE @ 3×104 @ 365 nm，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的寬禁帶半導(dǎo)體光電探測器體系，是目前國際上所報道的最高值之一。同時，該光電探測紙具有很好地柔韌性、穩(wěn)定性和抗疲勞性，為未來多功、智能和高效的日盲紫外探測和可穿戴應(yīng)用開辟了可能性，預(yù)示著巨大的商用價值。
核心創(chuàng)新點
該團(tuán)隊提出并設(shè)計高規(guī)整 ZnO 納米柱陣列深光子陷阱，增強(qiáng)日盲紫外光子俘獲，構(gòu)建h-BN/ZnO 異維強(qiáng)電場界面實現(xiàn)光電倍增，以及利用微分負(fù)電阻（NDR）效應(yīng)驅(qū)動光電子上轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)移。具體地：（1）利用二維 h-BN范德華弱作用力界面釋放ZnO與Cu紙之間的失配應(yīng)力，誘導(dǎo)生長高規(guī)整 ZnO 納米柱陣列；（2）提出Cu納米線頂層透明網(wǎng)絡(luò)電極3D噴涂技術(shù)，增加日盲紫外光子透過，并通過頂層Cu納米線擾亂入射光子傳播路徑實現(xiàn)光子在ZnO 納米柱陣列內(nèi)的多級反射，將紫外光子吸收度提升 > 99.5%；（3）二維h-BN 介質(zhì)膜增加Cu/ZnO 異維界面勢壘高度，降低器件暗電流，同時形成界面電荷堆積，強(qiáng)化內(nèi)電場，增強(qiáng)載流子在隧穿過程中的碰撞電離，提升器件的光增益；（4）利用NDR效應(yīng)誘導(dǎo)ZnO相鄰能谷間的光電子轉(zhuǎn)移，形成能量分立的3.4 eV/4.5 eV光子吸收阱，在國際上首次成功利用NDR效應(yīng)實現(xiàn)了基于單一半導(dǎo)體材料的可調(diào)雙波段（UVA/UVC）探測。
數(shù)據(jù)概覽
圖1. a）Cu基二維h-BN薄膜及其 b) HR-TEM圖、c) Raman光譜；d) 無、e) 有h-BN誘導(dǎo)層的Cu 基 ZnO陣列；f) ZnO陣列（青色）及其籽晶層（粉色）的Raman光譜；g，h）ZnO陣列及其Cu 納米線頂層網(wǎng)絡(luò)透明電極；i）Cu 納米線網(wǎng)絡(luò)的透光率與方阻關(guān)系。
圖2. Cu納米線和ZnO陣列共增強(qiáng)紫外光子俘獲 (a, b) 示意圖；c)不同角度和波長入射光下，ZnO陣列內(nèi)的模擬電場分布，綠色虛線為光子傳播深度；d, e) 不同角度和波長入射光下，ZnO陣列結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)的吸光度；f) 有無Cu納米線頂層網(wǎng)絡(luò)時ZnO陣列的吸光度。
圖3. a)日盲紫外光電探測紙的結(jié)構(gòu)示意圖及其b) 能帶結(jié)構(gòu)；c，d) APSYS 軟件模擬的器件的電場分布和I-V曲線；e）暗態(tài)（青色）和紫外光（粉色）輻照下器件的 I-V 曲線；f，g）纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO的能帶結(jié)構(gòu)；g) 在強(qiáng)電場作用下，光電子從近紫外區(qū)上轉(zhuǎn)換到日盲紫外區(qū)示意圖；h，i) 不同偏壓下器件的光電流與入射紫外光波長的關(guān)系：呈現(xiàn)探測波段可調(diào)特性。
圖 4.日盲紫外光電探測紙的靈活性、可靠性和超高響應(yīng)度展示：a) 柔性 PET 基板上的Cu納米線的柔韌性和可靠性測試；b，c) 不同彎曲狀態(tài)下器件的I-t；d) 器件經(jīng)500 次彎曲測試后的I-t；e) 對業(yè)內(nèi)基于不同半導(dǎo)體材料的普通/柔性紫外光電探測器的高響應(yīng)度總結(jié)。
成果啟示
本課題組研發(fā)了一種柔性日盲紫外光電探測紙器件，可通過調(diào)控臨界外偏壓在近紫外和日盲紫外信號之間進(jìn)行切換檢測。該器件具有強(qiáng)大的可靠性和超高的響應(yīng)度，響應(yīng)度最高可達(dá)700 A/W @ 265–276 nm，8697.7 A/W @ 365 nm。本論文工作對于從新維度、新結(jié)構(gòu)、新物理、新功能等多方面探索智能、多功日盲紫外柔性光電子器件具有積極意義。
論文信息
該論文工作由廈門大學(xué)作為第一單位完成，博士生劉國振為第一作者，蔡端俊教授和陳小紅教授為該論文的通訊作者。該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、福建省科技計劃等項目的資助。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202200563
