Photonics Research2024年第4期Editors’ Pick：
Shulin Sha, Kai Tang, Maosheng Liu, Peng Wan, Chenyang Zhu, Daning Shi, Caixia Kan, Mingming Jiang. High-performance, low-power, and flexible ultraviolet photodetector based on crossed ZnO microwires p-n homojunction[J]. Photonics Research, 2024, 12(4): 648
氧化锌（ZnO）作为一种直接带隙的宽禁带半导体材料，因其较大的激子束缚能、良好的化学和热稳定性、无毒性以及易于制备等特性，被认为是最有前景的用于同质结紫外光电探测器的半导体材料之一。尽管如此，基于ZnO的同质结探测器在实际应用中仍面临一些挑战。例如，制备p型ZnO材料的难度较大，而柔性ZnO基同质结紫外光电探测器的设计与制备也存在技术上的问题，这些都需要通过方案的进一步优化和深入的研究提升器件的性能和可靠性。
南京航空航天大学阚彩侠教授领导的研究团队设计了一种新型的基于交叉型ZnO微米线的p-n同质结器件。这些微米线通过Sb和Ga的精确掺杂实现了p型和n型的载流子传输特性，具有高结晶质量，为器件优异的探测能力奠定了基础。该同质结紫外光电探测器展现了最高可达2.6 A/W的响应率和高至6.3×1013Jones的比探测率。此外，这种器件还被成功集成到柔性阵列中，展示了卓越的高分辨率单像素成像能力。这项研究成果为开发低功耗、柔性和高度集成的低维ZnO基同质结紫外光电器件开辟了一条新途径。
——王琳教授，南京工业大学
Photonics Research青编委
随着科技的不断发展，人们对轻质、低功耗、便携式可穿戴设备的需求日益增加，为柔性光电探测器的实际应用带来了广阔的市场前景。这类探测器通常具有高度的灵活性和便利性，可以在不同的曲面和形状上保持良好的性能，提供更为舒适和实用的用户体验。为了能够普遍应用于智能可穿戴电子设备，柔性光电探测器未来可能会更加注重集成化和智能化，将大量传感器集成到各种形式的可穿戴系统中。因此，实现多个探测器的集成化和小型化显得尤为重要。随着材料科学和微纳技术的进步，柔性光电探测器的尺寸和重量有望进一步减小，使其更适用于小型化和便携化的设备。
ZnO微纳结构已经被广泛应用于构筑光敏、通讯、可穿戴设备以及折叠屏等多个领域，但在ZnO基p-n同质结紫外光电探测器方面，研究者们仍面临一些挑战。例如，稳定的p型ZnO材料的制备依然是世界性的难题，目前报道的紫外光电探测器的器件结构都是采用n型ZnO材料与其他p型材料构建异质节，受限于刚性衬底无法弯曲和具有较大脆性的劣势，很难满足复杂、苛刻的实际环境需求。而ZnO微米线不仅具有优异的紫外吸收特性和高弹性模量，且拥有成本低、收率高、结晶度好以及合成方法可控等优点，因此，它被视为构建微型化、集成化和柔性的紫外光电探测器极具潜力的候选材料之一。
为了促进ZnO柔性集成光电器件的发展，南京航空航天大学阚彩侠教授团队设计并构建了一种微型、柔性、可集成的交叉型ZnO微米线p-n同质结紫外光电探测器。该器件在-0.1 V、360 nm的光照下工作时，表现出了优异的紫外光电探测能力，包括~ 2.6 A/W的最大响应率、~ 6.3×1013Jones的比探测率、4.8×10-15W∙Hz-1/2的噪声等效功率和~ 7.8%的良好光电转换效率。同时，其上升/衰减时间（~ 0.48 ms/79.41 ms）也体现了该器件卓越的光响应速度。相关研究成果发表于Photonics Research2024年第4期。
该团队采用化学气相沉积法（CVD）成功合成了ZnO掺Sb（ZnO:Sb）和ZnO掺Ga（ZnO:Ga）的微米线，单根线的场效应晶体管分别表现出了p型和n型的载流子传输特性，将其成功用于构筑交叉型ZnO:Sb⨂ZnO:Ga微米线同质结器件，器件的结构如图（a）所示。该器件展现出的优异整流特性说明ZnO:Sb和ZnO:Ga微米线之间形成了高质量的同质结，如图（b）所示。恒功率条件下不同光波长测试的结果表明，该器件在-0.1 V反向偏压下对紫外光具有明显的光响应行为，并且在360 nm波长处表现出最大的光响应电流。随后，将未封装的ZnO:Sb⨂ZnO:Ga微米线同质结器件暴露在360 nm紫外光的连续照射环境下，器件的峰值光电流仅有微小波动，如图（c）所示，在存储60天后（室温为25℃，湿度为45%），器件仍能维持90%以上的光电流响应，表明该器件结构具有长周期稳定工作的能力。
(a) ZnO:Sb⨂ZnO:Ga微米线结构示意图；(b) ZnO:Sb⨂ZnO:Ga微米线器件在暗场下的电流-电压特性曲线；(c) 器件在−0.1 V偏置和360 nm光持续照射下的归一化光电流强度（插图是器件在不同储存时间后的光电流变化）；(d) 单像素扫描成像测量平台示意图（插图是p-n同质结阵列的光学显微照片，标尺：100 μm）；(e) 柔性ZnO:Sb⨂ZnO:Ga微米线器件阵列示意图；(f) 柔性ZnO:Sb⨂ZnO:Ga微米线器件阵列单元的“MW”成像结果；(g)成像的第十二个像素的光电流波形；(h) 成像全像素的平均光电流以及对应信噪比。
该团队基于制备的ZnO:Sb⨂ZnO:Ga微米线同质结探测器，在PET基板上成功构筑了柔性阵列单元，如图（e）所示。在对其进行不同弯折角度和弯折次数的测试后，该柔性阵列单元的光响应性能仍然可以维持在80%以上。再将构建的柔性阵列单元集成到如图（d）所示的实际光电成像系统中，获得的图像清晰度、光响应强度以及光电流稳定性均表明该柔性阵列单元具有优异的高分辨率单像素扫描成像能力，如图（f）-图（h）所示。
ZnO微米线同质结探测器件的制备仍然面临着一系列的挑战，这些挑战主要集中在材料制备、界面工程、载流子运输以及集成和规模化生产等方面。解决这些挑战需要综合材料科学、固态物理、表面科学等多个领域的知识和技术。例如在材料制备过程中，ZnO微米线的p型掺杂、质量和均匀性对于器件的性能都至关重要，需要精确控制生长速率、温度、气氛等，以确保ZnO微米线的掺杂浓度、均匀性和高结晶度，从而获得最为理想的微观结构和具有不同载流子传输特性的ZnO微米线。同样的，如何将构筑的这些高性能紫外探测器件集成到实际应用中并进行规模化生产，也是研究者们需要重视的问题，这涉及到工艺流程的优化、材料来源的稳定性、生产成本的控制等多方面的考量。
通讯作者姜明明研究员表示：“随着物联网、智能家居和智能城市等概念的不断发展，柔性紫外探测器件将满足未来市场对多功能、集成化和高性能光电探测器的需求。这也不断地激励着研究者们对相关材料和结构进行突破和优化，以提高器件的光电响应性能和机械稳定性，从而确保器件在实际应用中的可靠性和耐久性。而ZnO微米线基柔性紫外探测器件的发展对于提高紫外探测器的性能、扩大应用领域以及推动新型柔性紫外探测技术的发展具有重要意义。”
后续团队将进一步在材料改性、界面优化、结构设计、环境适应性、制造工艺、后处理技术、集成与封装以及多功能应用等方面进行研究和探索，以期进一步优化ZnO微米线同质结柔性紫外探测器，使其拥有更高的性能和更广泛的适用范围。
作者简介
阚彩侠
南京航空航天大学物理学院
主要研究方向：贵金属纳米结构、微纳光电器件性能调控
阚彩侠，教授，博士生导师，江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师，江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人。主要从事光电功能材料、器件与物理的研究，在纳米结构等离激元光学效应和半导体微纳光电器件相关的研究取得一系列创新性成果。负责5项国家自然科学基金，参加1项国家自然科学基金重点项目，相关的研究工作已经申请发明专利20余项，在Photon. Res.、Small、Adv. Opt. Mater.、Nanoscale等学术刊物上发表SCI期刊论文150多篇，研究结果引起了同行的高度关注，多篇论文他引百次以上，研究成果在工信部网站、《中国激光》等期刊网站做亮点报道。
姜明明
南京航空航天大学物理学院
主要研究方向：低维微纳结构、宽禁带半导体、半导体器件与物理
姜明明，研究员，博导，主要从事宽禁带氧化物半导体材料、物理与器件研究。开发金属氧化物半导体低维结构的可控性生长和掺杂的新方法、新技术，解决了宽禁带氧化物半导体纯紫外发光/激光器件的制备、激光模式调控新技术新方法等，同时研制出关键指标国际领先的紫外/近红外波段高性能光电探测器件等。在Photon. Res.、Appl.Phys. Lett.、Adv. Funct. Mater.等期刊上发表100余篇论文，授权发明专利8项。成果写入专著和多篇权威综述，多次被国际权威行业刊物专题报道。主持3项国家自然科学基金面上项目等各类项目。
沙树林
南京航空航天大学物理学院
研究方向：低维功能材料，光电功能材料，微纳光电器件
沙树林，南京航空航天大学物理学院博士研究生。2021年于内蒙古工业大学获得硕士学位。2021年至今于南京航空航天大学物理学院进行博士研究工作。目前以第一作者发表国际期刊SCI检索论文4篇，参与发表国际期刊SCI检索论文20余篇。研究兴趣主要为光电功能材料和微纳光电器件。
科学编辑| 南京航空航天大学姜明明
编辑| 张怡
1、Tong Xu, Mingming Jiang, Peng Wan, Kai Tang, Daning Shi and Caixia Kan. Bifunctional ultraviolet light-emitting/detecting device based on a SnO2microwire/p-GaN heterojunction. Photonics Research, 2021, 9(12): 2475
2、Zihao Shuang, Hai Zhou, Dingjun Wu, Xuhui Zhang, Boao Xiao, Jinxia Duan, Hao Wang. High-performance Ag2BiI5 Pb-free perovskite photodetector[J]. Photonics Research, 2022, 10(8): 1886
3、Chandrasekar Perumal Veeramalai, Shuai Feng, Xiaoming Zhang, S. V. N. Pammi, Vincenzo Pecunia, Chuanbo Li. Lead–halide perovskites for next-generation self-powered photodetectors: a comprehensive review[J]. Photonics Research, 2021, 9(6): 968
4、Jiabing Lu, Zesheng Lv, Xinjia Qiu, Shiquan Lai, Hao Jiang. Ultrasensitive and high-speed AlGaN/AlN solar-blind ultraviolet photodetector: a full-channel-self-depleted
