近日，我院材料物理研究所在紫外增强型宽波段探测器方面取得积极进展，相关成果以“Stable and ultraviolet-enhanced broadband photodetectors based on Si nanowire arrays-Cs₃Cu₂I₅nanocrystals hybrid structures”为题发表于国际知名期刊《Materials Today Physics》（影响因子：10.443）上。该论文第一作者为我院2018级硕士研究生梁文晴，通讯作者为我院史志锋副教授和陈旭副教授。

硅材料是制备宽波段光电探测器的理想候选材料，其响应范围覆盖紫外、可见和近红外光波段。而且，由于其相对低廉的成本和成熟的加工工艺，目前在商业应用方面已经取得了极大的成功。然而，由于平面硅材料较高的光反射系数和较浅的紫外光穿透深度（小于20 nm@370 nm），基于硅材料的宽波段探测器对紫外光的响应能力一直很差，这已成为限制其进一步应用的绊脚石。通过复合其它宽带隙半导体，如Ga(Al)N，Zn(Mg)O和Ga₂O₃等，构建硅基异质结是解决上述问题的有效策略之一，这在以往的工作中已得到验证。然而，传统的宽带隙氧化物和氮化物半导体大多需要高温低压的生长设备完成，如金属有机物化学气相沉积和分子束外延等，在制备工艺和获得成本上存在不足。此外，在进行高温低压生长时，往往会在硅表面生长出SiN_x和SiO_x薄层，不利于光生载流子的转移和收集过程。

针对上述问题，我院研究人员首先将平面硅材料刻蚀成多孔结构的Si纳米线阵列，以此来减弱材料对紫外入射光的反射能力；进一步，通过简单的热注入法合成出平均尺寸为18 nm的Cs₃Cu₂I₅纳米晶（禁带宽度4.0 eV），并成功将其修饰在Si纳米线的表面，从而制备出Si-Cs₃Cu₂I₅纳米复合结构。由于Cs₃Cu₂I₅纳米晶与Si纳米线在接触的位置形成了I型能带排列结构，在紫外光激发下，Cs₃Cu₂I₅纳米晶中产生的光生电子能够快速转移至Si纳米线内部，贡献光电流，从而达到提升器件紫外光探测能力的目的。典型地，在265 nm光激发下，所设计探测器的光响应度为83.6 mA/W，比探测率为2.1×10¹²Jones，响应速度为18.2 μs，开关比达到3.72×10³，是Si纳米线探测器的350倍。此外，研究人员还细致调查了Cs₃Cu₂I₅纳米晶修饰量对Si-Cs₃Cu₂I₅纳米复合结构中光生载流子产生、输运过程的影响，并结合不同修饰状态下的能带图，成功解释了适量纳米晶修饰时探测器暗电流降低的内在原因。本工作为实现高性能、低成本紫外增强型宽波段探测器提供了新的研究思路。

该工作得到了国家自然科学基金、河南省高层次人才特殊支持计划以及郑州大学物理学科推进计划等项目的支持。

文献链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529321000596