哈工大王金忠教授团队为提升二维单晶材料的硅基兼容性提供新思路

哈工大全媒体（李双余 张殷泽/文 张殷泽/图）近日，我校材料科学与工程学院王金忠教授团队成功阐述等离子体预处理对二维碲化铋（Bi₂Te₃）单晶材料在硅基衬底上大面积生长的优势，为提升二维单晶材料的硅基兼容性提供新思路。研究成果以《基于硅基衬底大面积Bi₂Te₃单晶片在中红外光通信波段的灵敏成像光电探测》（Large-Area Bi₂Te₃ Flakes on Si-Based Substrates for Sensitive IR Imaging Photodetection at MWIR Optical Communication Wavelengths）为题发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

Bi₂Te₃材料带隙窄、迁移率高，可有效实现中红外波段光电探测，同时与硅基衬底结合，利用互补金属氧化物半导体（CMOS）体系的成熟工艺，能够大幅拓展其应用。因此，研究如何将二维Bi₂Te₃单晶材料与硅衬底结合，制备硅基兼容的红外光电探测器十分重要。硅基兼容性与衬底的表面状态密切相关。目前大多数方法难以完全清洁衬底表面，并创造出有利于二维单晶材料大面积生长的条件，使得在硅基衬底上直接生长大面积的二维单晶材料非常困难。然而，材料面积关系到器件的单片集成度，对于其实际应用至关重要。

图1 二维Bi₂Te₃单晶的形貌和晶体结构表征：（a）生长示意图；（b）光镜图；（c）原子力显微镜（AFM）图；（d）高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图；（e）元素分布图

图2 Bi₂Te₃光电探测器的光电响应：（a）电流-电压（I-V）曲线；（b） 电流-时间（I-t）曲线；（c）响应度和比探测率；（d）能带示意图

针对这一难题，研究团队考虑到等离子体预处理可以高效清洁衬底表面的残留污染物，同时创造出一定数量的形核位点，为二维单晶材料的大面积生长提供有利条件。基于此，研究团队采用化学气相沉积（CVD）方法，在等离子体预处理的氧化硅片（SiO₂/Si）衬底上成功实现了二维Bi₂Te₃单晶材料的大面积生长，最大横向尺寸可达0.16 mm。结合实验分析，Bi₂Te₃光电探测器在1550 nm光源照射下展现出优异红外光电探测能力，这得益于材料较高的结晶质量和器件的原位制备。此外，该器件的探测性能在低温下得到显著提升，在测试温度为82 K时，其比探测率可大幅提高至7.52 × 10¹² Jones。这主要是由于低温抑制二维Bi₂Te₃材料的本征激发，大幅降低器件的暗电流，而Bi₂Te₃作为典型的窄带隙材料，这一现象更加显著，从而有利于探测器实现灵敏且稳定的红外探测。该研究工作为二维材料在硅基衬底上的大面积生长提供新思路，同时也为二维Bi₂Te₃材料在红外探测领域的独特优势提供重要依据。

哈工大为论文第一通讯单位，材料科学与工程学院博士研究生张殷泽为论文第一作者，研究员王东博、助理教授贺雯和教授王金忠为论文共同通讯作者。

该研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202523704