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碲化铋（Bi₂Te₃）是一种具有层状范德华布局的二维材料，归因在拓扑绝缘体的特征，其载流子迁徙率较高。同时作为一种机能优良的热电材料，其Seebeck系数较年夜（-170 μV/K），而热导率很低（约1.4 W·m⁻¹·K⁻¹）， 且其在较年夜的光波规模内均存在有用的自由载流子接收，是以Bi₂Te₃是开辟光热电探测器的有但愿的候选者。研究Bi₂Te₃光电探测器在长波红外波段的响应机制和机能晋升策略对光电探测的成长具有主要意义。

据麦姆斯咨询报导，近期，中国科学院年夜连化学物理研究所催化根本国度重点尝试室和中国科学院年夜学的科研团队在《半导体材料与器件》期刊上颁发了以“基在碲化铋纳米线的长波红外光热电探测器”为主题的文章。该文章第一作者为曹晓鹏，通信作者为陆晓伟副研究员和姜鹏研究员。

本文研究了Bi₂Te₃纳米线光电探测器在长波红外（10.6 μｍ）波段的响应机制和机能晋升策略。起首摸索了在化学气相沉积中若何实现纳米线的可控发展；接着操纵微纳加工工艺制造并摸索了Bi₂Te₃纳米线光电探测器在长波红外波段的响应机制；最后研究了电极材料和调制频率对Bi₂Te₃纳米线光热电探测器机能的影响。

探测器制备和测试方式

Bi₂Te₃纳米线的合成

采取化学气相沉积法在石英管式炉内发展Bi₂Te₃纳米布局，发展进程示意图如图1（a）所示。对化学气相沉积合成纳米布局而言，发展区的温度可节制其描摹演化。一样的景象在Bi₂Te₃纳米布局的合成中被不雅察到，如图1（b）和（c）所示，在分歧的发展温区内其外形产生了较着的转变，从纳米片改变为纳米线。

图1 化学气相沉积法发展的Bi₂Te₃纳米布局

Bi₂Te₃纳米线光电探测器的制备

Bi₂Te₃纳米线光电探测器的制备方式为：利用Si/SiO₂（200 nm）作为衬底，起首顺次用丙酮、异丙醇、去离子水擦拭衬底，去除概况的杂质，然后采取对贴法将发展衬底上的纳米线转移到Si/SiO₂概况。接着将转移以后的布局进行预烘，去除概况的水份，再顺次进行光刻胶旋涂、暴光、显影工艺，将掩模邦畿形转移到衬底上。最后利用磁控溅射发展电极，再经由过程丙酮浸泡去除冗余布局，便可获得所需的Bi₂Te₃纳米线，其布局示意图如图2（a）所示，电极材料位在Bi₂Te₃纳米线的上方。利用原子力显微镜（AFM）扫描样品，成果如图2（b）和（c）所示，注解成功制备了Bi₂Te₃纳米线光电探测器，纳米线长度为60 μm、宽度为650 nm、高度为40 nm，电极材料为Ni，通道长度为20 μｍ。受限在磁控溅射加工工艺，发展电极与Bi₂Te₃纳米线界面处存在必然水平的卷边。

图2 Bi₂Te₃纳米线光电探测器的制备

Bi₂Te₃纳米线光电探测器的机能测试

在光热电响应测试进程中，利用CO₂激光作为红外光源，将激光波长调剂为10.6 μm，经光路调理聚焦后，光斑巨细约为30 μm。对Bi₂Te₃纳米线光电探测器在暗中和光照前提下的Ｉ⁃Ｖ曲线进行测试，采取Keithley 2450数字源表测试数据。

成果与会商

Bi₂Te₃纳米线光电探测器在长波红外波段的响应

起首测试了在暗中和10.6 μm 波长激光照耀下Bi₂Te₃纳米线光电探测器的Ｉ⁃Ｖ曲线，如图3（a）所示，线性的Ｉ⁃Ｖ曲线注解Bi₂Te₃纳米线与Ｎｉ电极之间为欧姆接触而无肖特基势垒。当激光照耀在器件左边（毗连源表正极） 时，左边接收热量致使摆布两侧发生温差；因为Seebeck效应，热量差遣载流子移动，从而输出电旌旗灯号。光照前提下的Ｉ⁃Ｖ曲线向下平移，合适Bi₂Te₃纳米线的n型半导体特征。别的，同时发生极性相反的响应电压和响应电流，且电阻值没有较着转变，证实该响应机制为典型的光热电转换进程。

图3 Bi₂Te₃纳米线光电探测器在长波红外波段的响应

进一步测试响应电压随激光功率的转变，如图3（b）所示，当激光功率P增添时，响应电压随之变年夜。对尝试数据拟合成果注解，响应电压与对应的激光功率呈线性正相干。

随后在无外加偏压前提下，对Bi₂Te₃纳米线光热电探测器在光照前提下随位置转变的响应电流进行扫描响应电流成像，如图4（a）所示，其表示出对称的光热电响应，响应电流可达15 nA，与Ｉ⁃Ｖ曲线测试获得的成果一致。这归因在其n型半导体特征，在光照前提下，电子的热分散发生了响应电流。当光照耀在左边和右边界面时，热载流子的移动标的目的相反，是以显现出极性相反的响应电流。

图4 Bi₂Te₃纳米线光热电探测器的响应电流随位置的转变

进一步地，沿图4（a）中的白色虚线，提取光响应电流在一维标准上随位置的转变。如图4（b）所示，固然通道长度只有20 μm，但Bi₂Te₃纳米线光电探测器在100 μm的长度规模内均表示出光响应。一方面光斑尺寸（30 μm）相较通道长度较年夜，另外一方面电极存在必然的吸光能力，使得在较年夜的规模内均能取得有用的光响应旌旗灯号，响应电流的最年夜值呈现在Bi₂Te₃纳米线与Ni电极的界面四周。连系以上阐发可知，优化电极材料也许对Bi₂Te₃纳米线光电探测器的机能有所晋升。

电极对Bi₂Te₃纳米线光热电探测器机能的影响

起首验证电极厚度对Bi₂Te₃纳米线光热电探测器响应电压的影响。当电极材料为Ni时，测试了电极厚度别离为20、30、50、70、100 nm时的响应电压。如图5（a）所示，跟着电极厚度的增添，其响应电压先增年夜后减小。对统一种材料而言，吸光系数可能随厚度的增添而增添；与此同时，归因在概况积的增年夜，电极散耗到空气中的热量也随之增添，这意味着电极厚度的增添也会有必然的散热感化。是以在利用Ni作为电极时，其厚度选择有一个最优解，当电极厚度为50 nm时，响应电压最年夜为400 μV。

图5 优化电极提高Bi₂Te₃纳米线光热电探测器响应

接着研究了当电极厚度为50 nm时，具有分歧热导率的电极材料对Bi₂Te₃纳米线光热电探测器响应电压的影响。如图5（b）所示，跟着电极热导率的下降，其响应电压也随之减小。在不异的电极厚度前提下，热导率的增添使电极具有更强的热传导能力，其传递给Bi₂Te₃的热量也就更多；而不异的概况积使电极向空气中耗散的热量转变很小。是以，经由过程电极材料的优化，Bi₂Te₃纳米线两侧的温差得以增添。当利用Au作为电极材料时，响应电压增年夜至3.4 mV，远高在电极材料为Ni时的响应电压。

对微纳布局的长波红外与太赫兹光热电探测器来讲，当激光照耀在器件中心时，因为光斑尺寸相较在器件过年夜，摆布两侧发生的热量附近，没法成立有用的温差， 阻碍了低维材料光热电探测器的利用。利用非对称电极布局是一种常见的解决方式，因为分歧材料热导率的差别，电极摆布两侧将发生不平均的热量接收，从而存在温差，输出电旌旗灯号。本文建造了左边电极其Ni，右边电极其Au的布局，其扫描响应电流成像如图6（a）所示。因为热导率的差别，摆布两侧发生了非对称的光热电响应，Au电极上的响应电流高在Ni电极的，且响应面积更年夜。沿图6（a）中的白色虚线，提取光响应电流在一维标准上随位置的转变，如图6（b）所示，当光照耀在Bi₂Te₃纳米线中心时，也能发生有用的光旌旗灯号。

图6 非对称电极布局的响应电流随位置的转变

调制频率对Bi₂Te₃纳米线光热电探测器机能的影响

最后研究了调制频率对Bi₂Te₃纳米线光热电探测器响应的影响。如图7（a）所示，当调制频率别离为20、200、800 Hz时，该探测器均表示出不变的、可反复的开关响应。图7（b）为探测器的带宽阐发，描写了响应电压幅值随调制频率的转变，频率为20 Hz ～ 10 kHz。光响应电压幅值在1 kHz之前转变很小，以后跟着频率的增添，响应电压幅值呈线性急速降落。成果显示，Bi₂Te₃纳米线光热电探测器表示出优良的综合机能。

图7 调制频率对Bi₂Te₃纳米线光热电探测器的影响

结论

经由过程节制发展区温度，采取化学气相沉积实现了Bi₂Te₃纳米线的可控合成。制备了Bi₂Te₃纳米线光电探测器，并研究其在长波红外波段的响应，肯定其响应机制为光热电效应。调变电极材料与厚度，实现了高响应电压输出。进一步地，组织非对称电极布局，解决了在全局光照明下微纳光热电探测器无输出旌旗灯号的问题。该探测器在10.6 μm激光照耀下表示出优良的机能，响应度可达17 V/W，响应时候为53 μs，噪声等效功率为0.22 nW·Hz-1/2。本文的研究成果可为开辟高机能的二维材料光热电探测器供给参考，为小型化集成的长波红外探测器供给新的思绪。

审核编纂：刘清

原文题目：基在碲化铋纳米线的长波红外光热电探测器

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