网络知识 娱乐 哈工大&南洋理工:新型绿色溶液方法合成大尺寸高质量二维材料

哈工大&南洋理工:新型绿色溶液方法合成大尺寸高质量二维材料

目前,基于2D材料的光电子器件,如六方氮化硼(h-BN)、黑磷(BP)、2D钙钛矿和过渡金属二卤化物(TMDCs),由于其厚度相关的电子能带结构和优异的光电性能而引起了人们的极大关注。在目前的2D材料中,2D BP和钙钛矿在空气中是不稳定的,传统的化学气相沉积(CVD)方法很难直接获得BP或2D钙钛矿,这限制了它们的广泛应用。二维TMD(如MoS2)是另一种高性能光电探测器的候选材料,因为它们具有直接带隙性质,可以在单层时提高光吸收效率。然而,单层MoS2器件仍然面临着载流子迁移率低的难以解决的难题。因此,探索一种具有高光吸收效率和电子迁移率的空气稳定材料对于光电子器件的应用具有重要意义。


来自哈尔滨工业大学、哈尔滨工业大学(深圳)和南洋理工大学的学者开发了一种有机离子模板导向溶液生长方法,以水为溶剂,高效地获得了高质量的二维Bi2O2Se。值得注意的是,本文还获得了具有不同氧缺陷的二维Bi2OxSe的厚度和形貌。光谱结果表明,氧缺陷可以显著地改变Bi2O2Se的电学性质,如功函数、带隙和能带位置。结果表明,优化后的Bi2O2Se器件的光响应率为842.91 A W−1,在532 nm激光下的光探测率为8.18×1012Jones,电子迁移率为334.7 cm2V−1 s−1。本工作提出了一种新的绿色溶液方法来合成大尺寸、高质量的具有可调电子结构的Bi2O2Se,为大规模器件的无转移制造提供了新的可能性。相关文章以“Organic Ion Template-Guided Solution Growth of Ultrathin Bismuth Oxyselenide with Tunable Electronic Properties for Optoelectronic Applications”标题发表在Advanced Functional Materials。


论文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202201020



图 1.OTG溶液法生长大尺寸2D Bi2O2Se单晶示意图.a) OTG求解方法的示意图。 b–e) 显示四个生长阶段的示意图:Bi(NH3)2C6H7O7水解或电离(b)。Bi2O2Se晶核组装和成核(c)。 Bi2O2Se纳米片生长阶段(d)。2D Bi2O2Se纳米片解离工艺(e).


图 2.OTG溶液法生长的2D Bi2O2Se的结构表征.a) 分散在SiO2衬底上的生长Bi2O2Se纳米片的典型SEM图像。b) 厚度为4.92 nm的单片Bi2O2Se纳米片的AFM图像。c) 2D Bi2O2Se的域大小比较。 d) XRD模式。e) HRTEM 图像。f) Bi2O2Se纳米片的SAED图谱显示了其单晶性质。g–i) 生长的 Bi2O2Se晶体的 EDS 映射。


图 3.生长过程中不同Bi(NH3)2C6H7O7与Na2SeO3摩尔比的2D Bi2OxSe的形貌、晶体结构和化学成分的演化.a–d)典型Bi2OxSe纳米片的SEM图像,其摩尔比分别为Bi : Se = 1:2(a),1:1.5(b),1:1(c)和2:1(d)。 e) 铜网格上二维 Bi2O2Se 的低磁力透射电镜图像。f) 对应的HRTEM图像和(e)中生长的Bi2O2Se的FFT图案。g) 生长时的 2D Bi2O2Se 的 EDS 谱。


图 4.通过控制氧缺陷浓度来调整Bi2OxSe(x = 2,1.7,1和0.2)的电子特性。a) 紫外-可见-近红外吸收光谱。b) (αhν)1/2-hν 曲线。c) XPS光谱的工作函数和价带区域。d) 不同Bi2OxSe材料的能带对准。


图5.OTG溶液法生长的二维Bi2O2Se的光电性质。a)原始生长的二维Bi2O2Se基器件的制造工艺说明。b)不同入射光功率下Bi2O2Se光电探测器的I-V曲线。插图中显示了制作的Bi2O2Se光电探测器的OM图像,其中标尺为15微米。c)在零栅电压下不同光强度下的光电流与暗电流的比率。d) Bi2O2Se基光探测器在不同入射光功率下的光响应。e)在不同光强下的响应度和探测率。


图6.原始生长的二维Bi2O2Se和Bi2O0.2Se纳米片的电学特性。a)背栅Bi2OxSe纳米片基FET示意图。b) Bi2O2Se基器件的输出特性曲线(Id-Vd)在线性和对数范围内作为栅极电压(Vg)的函数。c) 用对数标度表示的器件的Id-Vd族曲线作为Vd的函数。d)界面处形成肖特基势垒的Au/Bi2O0.2Se能带图。e-f)对应的Bi2O0.2Se纳米片基FET。


综上所述,本文开发了一种高效的OTG溶液方法,以绿色无毒的水为溶剂,合成了质量高、空气稳定性好、化学均一性好的原子薄二维Bi2O2Se单晶。Bi2O2Se纳米片的微区尺寸可以达到60微米,并且通过调节生长条件可以精确地控制2D Bi2OxSe(x=2,1.7,1和0.2)纳米片的形貌。具有不同氧缺陷浓度的Bi2OxSe对其电子性质进行了生态调节,从而扩展了Bi2OxSe基材料的性能范围,使其在未来的各种应用中具有广阔的应用前景。更重要的是,由于生长的Bi2O2Se具有良好的质量,基于2D Bi2O2Se纳米片的光电探测器具有842.91 A W−1的高光响应率和8.18×1012Jones的光探测器。此外,生长的Bi2O2Se纳米片的场效应管具有高的电流导通比和334.7 cm2 V−1 s−1的电子迁移率。本文的结果为控制生长大尺寸高质量的2D Bi2O2Se晶体提供了新的途径,在基础研究和光电子器件方面具有巨大的应用潜力。(文:SSC)


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