hBN因其超寬的禁帶寬度、高的帶邊吸收系數和穩定的物理化學性質成為了制備真空紫外光電探測器的理想材料之一。然而，目前制備大面積hBN薄膜通常需要超高的溫度、特定的氣體氛圍和特殊處理的襯底等各種嚴苛條件，使大面積hBN薄膜的獲取是低效和高成本的，限制了hBN在真空紫外光電探測器件上的應用。

近期，西安交通大學電子科學與工程學李強副教授等通過剝離-自組裝的方法制備了大面積hBN薄膜，并進行了光電探測器的制備與器件工作機制的研究。該成果以Large-Area Self-Assembled Hexagonal Boron Nitride Nanosheet Films for Ultralow Dark Current Vacuum-Ultraviolet Photodetectors為題發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

該方法基于hBN特有的二維結構特性，通過液相剝離的方法從塊體hBN上剝離出少層的hBN納米片（BNNSs），通過自組裝工藝將BNNSs組裝成大面積有序薄膜使其可以轉移至襯底上進一步表征與應用。該方法提高了制備hBN薄膜的效率、降低了薄膜制備的成本。

圖1 BNNSs及自組裝薄膜的電鏡圖

基于自組裝BNNS薄膜制備了真空紫外光電探測器，通過“光誘導結勢壘高度”的工作機制分析了器件的工作原理。以調控BNNS尺寸的方式對器件的電學性能進行調控。結果顯示隨著BNNS尺寸的減小，制備的BNNS薄膜暗電流變低，最低實現了器件在80 V電壓下0.27 pA的暗電流。借助MSM型雙肖特基模型，通過定量計算器件的串聯電阻和勢壘高度在光照前后的變化，分析了光照對器件電學參數的影響。以PD1為例，其反偏結的勢壘高度f₂在光照前為0.815 eV，在光照后降低到了0.620 eV。串聯電阻R_s從149.5 TW 降低至0.211 TW，即光照后的串聯電阻只有光照前的0.14%。該計算方法為同類器件（電阻率被結勢壘所主導）工作機制的研究提供了方案。

圖2 不同尺寸BNNSs制備的PD的電學特性研究

尺寸越大的BNNS組裝成的薄膜探測器具有更高的響應度，但其暗電流較高，光暗比較低。尺寸最小的BNNSs制備的PD1的暗電流為0.27 pA，對185 nm波長的真空紫外光響應度為1.09 mA/W、探測率為3.42×10¹¹ Jones，響應速度為20.97 ms/17.69 ms。相比于同類器件，PD1具有超低的暗電流、高探測率和快的響應速度。從BNNS薄膜光電探測器的空間電荷區、能帶圖和等效電路圖建立了載流子運輸模型，重點分析了注入電荷在BNNS-BNNS結勢壘之間的傳輸過程。每個BNNS靠近源極一側的空間電荷區經歷了削弱到中和的過程，而靠近漏極一側的空間電荷區經歷了增強到擊穿的過程。在這些過程中，注入的電荷主要被結勢壘處的空間電荷區所消耗，導致器件具有超低的暗電流。

圖3 BNNS薄膜光電探測器的性能表征和機制探究

基于自組裝BNNS薄膜制備了柔性光電探測器。該器件在多次彎曲和不同彎曲狀態下性能穩定，證明了基于自組裝BNNS薄膜的光電探測器具有良好的可靠性。

圖4 柔性BNNS薄膜器件的光電探測性能

該工作的第一作者為西安交通大學博士生張啟凡，李強副教授（導師）、先進光電所云峰教授、英國謝菲爾德大學Tao Wang教授和西安電子科技大學郝躍院士共同作為通訊作者，西安交大為第一通訊單位。論文中的表征測試得到了西安交通大學分析測試共享中心和賈春林科學家工作室研究人員的支持。

李強及其團隊近年來致力于hBN材料生長及其光電器件的研究，前期工作已獲得10余項國家發明專利，并在Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interface、Crystal Growth & Design、Applied Surface Science等最具影響力期刊上發表了一系列研究成果。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202315149

李強老師主頁：http://gr.xjtu.edu.cn/web/liqiang2014