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

氧化鋅（ZnO）作為一種直接帶隙的寬禁帶半導體材料，因其較大的激子束縛能、良好的化學和熱穩定性、無毒性以及易于制備等特性，被認為是最有前景的用于同質結紫外光電探測器的半導體材料之一。盡管如此，基于ZnO的同質結探測器在實際應用中仍面臨一些挑戰。例如，制備p型ZnO材料的難度較大，而柔性ZnO基同質結紫外光電探測器的設計與制備也存在技術上的問題，這些都需要通過方案的進一步優化和深入的研究提升器件的性能和可靠性。

南京航空航天大學闞彩俠教授領導的研究團隊設計了一種新型的基于交叉型ZnO微米線的p-n同質結器件。這些微米線通過Sb和Ga的精確摻雜實現了p型和n型的載流子傳輸特性，具有高結晶質量，為器件優異的探測能力奠定了基礎。該同質結紫外光電探測器展現了最高可達2.6 A/W的響應率和高至6.3×1013Jones的比探測率。此外，這種器件還被成功集成到柔性陣列中，展示了卓越的高分辨率單像素成像能力。這項研究成果為開發低功耗、柔性和高度集成的低維ZnO基同質結紫外光電器件開辟了一條新途徑。

——王琳教授，南京工業大學

Photonics Research青編委

隨著科技的不斷發展，人們對輕質、低功耗、便攜式可穿戴設備的需求日益增加，為柔性光電探測器的實際應用帶來了廣闊的市場前景。這類探測器通常具有高度的靈活性和便利性，可以在不同的曲面和形狀上保持良好的性能，提供更為舒適和實用的用戶體驗。為了能夠普遍應用于智能可穿戴電子設備，柔性光電探測器未來可能會更加注重集成化和智能化，將大量傳感器集成到各種形式的可穿戴系統中。因此，實現多個探測器的集成化和小型化顯得尤為重要。隨著材料科學和微納技術的進步，柔性光電探測器的尺寸和重量有望進一步減小，使其更適用于小型化和便攜化的設備。

ZnO微納結構已經被廣泛應用于構筑光敏、通訊、可穿戴設備以及折疊屏等多個領域，但在ZnO基p-n同質結紫外光電探測器方面，研究者們仍面臨一些挑戰。例如，穩定的p型ZnO材料的制備依然是世界性的難題，目前報道的紫外光電探測器的器件結構都是采用n型ZnO材料與其他p型材料構建異質節，受限于剛性襯底無法彎曲和具有較大脆性的劣勢，很難滿足復雜、苛刻的實際環境需求。而ZnO微米線不僅具有優異的紫外吸收特性和高彈性模量，且擁有成本低、收率高、結晶度好以及合成方法可控等優點，因此，它被視為構建微型化、集成化和柔性的紫外光電探測器極具潛力的候選材料之一。

為了促進ZnO柔性集成光電器件的發展，南京航空航天大學闞彩俠教授團隊設計并構建了一種微型、柔性、可集成的交叉型ZnO微米線p-n同質結紫外光電探測器。該器件在-0.1 V、360 nm的光照下工作時，表現出了優異的紫外光電探測能力，包括~ 2.6 A/W的最大響應率、~ 6.3×1013Jones的比探測率、4.8×10-15W?Hz-1/2的噪聲等效功率和~ 7.8%的良好光電轉換效率。同時，其上升/衰減時間（~ 0.48 ms/79.41 ms）也體現了該器件卓越的光響應速度。相關研究成果發表于Photonics Research2024年第4期。

該團隊采用化學氣相沉積法（CVD）成功合成了ZnO摻Sb（ZnO:Sb）和ZnO摻Ga（ZnO:Ga）的微米線，單根線的場效應晶體管分別表現出了p型和n型的載流子傳輸特性，將其成功用于構筑交叉型ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線同質結器件，器件的結構如圖（a）所示。該器件展現出的優異整流特性說明ZnO:Sb和ZnO:Ga微米線之間形成了高質量的同質結，如圖（b）所示。恒功率條件下不同光波長測試的結果表明，該器件在-0.1 V反向偏壓下對紫外光具有明顯的光響應行為，并且在360 nm波長處表現出最大的光響應電流。隨后，將未封裝的ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線同質結器件暴露在360 nm紫外光的連續照射環境下，器件的峰值光電流僅有微小波動，如圖（c）所示，在存儲60天后（室溫為25℃，濕度為45%），器件仍能維持90%以上的光電流響應，表明該器件結構具有長周期穩定工作的能力。

(a) ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線結構示意圖；(b) ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線器件在暗場下的電流-電壓特性曲線；(c) 器件在−0.1 V偏置和360 nm光持續照射下的歸一化光電流強度（插圖是器件在不同儲存時間后的光電流變化）；(d) 單像素掃描成像測量平臺示意圖（插圖是p-n同質結陣列的光學顯微照片，標尺：100 μm）；(e) 柔性ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線器件陣列示意圖；(f) 柔性ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線器件陣列單元的“MW”成像結果；(g)成像的第十二個像素的光電流波形；(h) 成像全像素的平均光電流以及對應信噪比。

該團隊基于制備的ZnO:Sb?ZnO:Ga微米線同質結探測器，在PET基板上成功構筑了柔性陣列單元，如圖（e）所示。在對其進行不同彎折角度和彎折次數的測試后，該柔性陣列單元的光響應性能仍然可以維持在80%以上。再將構建的柔性陣列單元集成到如圖（d）所示的實際光電成像系統中，獲得的圖像清晰度、光響應強度以及光電流穩定性均表明該柔性陣列單元具有優異的高分辨率單像素掃描成像能力，如圖（f）-圖（h）所示。

ZnO微米線同質結探測器件的制備仍然面臨著一系列的挑戰，這些挑戰主要集中在材料制備、界面工程、載流子運輸以及集成和規模化生產等方面。解決這些挑戰需要綜合材料科學、固態物理、表面科學等多個領域的知識和技術。例如在材料制備過程中，ZnO微米線的p型摻雜、質量和均勻性對于器件的性能都至關重要，需要精確控制生長速率、溫度、氣氛等，以確保ZnO微米線的摻雜濃度、均勻性和高結晶度，從而獲得最為理想的微觀結構和具有不同載流子傳輸特性的ZnO微米線。同樣的，如何將構筑的這些高性能紫外探測器件集成到實際應用中并進行規模化生產，也是研究者們需要重視的問題，這涉及到工藝流程的優化、材料來源的穩定性、生產成本的控制等多方面的考量。

通訊作者姜明明研究員表示：“隨著物聯網、智能家居和智能城市等概念的不斷發展，柔性紫外探測器件將滿足未來市場對多功能、集成化和高性能光電探測器的需求。這也不斷地激勵著研究者們對相關材料和結構進行突破和優化，以提高器件的光電響應性能和機械穩定性，從而確保器件在實際應用中的可靠性和耐久性。而ZnO微米線基柔性紫外探測器件的發展對于提高紫外探測器的性能、擴大應用領域以及推動新型柔性紫外探測技術的發展具有重要意義。”

后續團隊將進一步在材料改性、界面優化、結構設計、環境適應性、制造工藝、后處理技術、集成與封裝以及多功能應用等方面進行研究和探索，以期進一步優化ZnO微米線同質結柔性紫外探測器，使其擁有更高的性能和更廣泛的適用范圍。

作者簡介

闞彩俠

南京航空航天大學物理學院

主要研究方向：貴金屬納米結構、微納光電器件性能調控

闞彩俠，教授，博士生導師，江蘇省“青藍工程”優秀骨干教師，江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人。主要從事光電功能材料、器件與物理的研究，在納米結構等離激元光學效應和半導體微納光電器件相關的研究取得一系列創新性成果。負責5項國家自然科學基金，參加1項國家自然科學基金重點項目，相關的研究工作已經申請發明專利20余項，在Photon. Res.、Small、Adv. Opt. Mater.、Nanoscale等學術刊物上發表SCI期刊論文150多篇，研究結果引起了同行的高度關注，多篇論文他引百次以上，研究成果在工信部網站、《中國激光》等期刊網站做亮點報道。

姜明明

南京航空航天大學物理學院

主要研究方向：低維微納結構、寬禁帶半導體、半導體器件與物理

姜明明，研究員，博導，主要從事寬禁帶氧化物半導體材料、物理與器件研究。開發金屬氧化物半導體低維結構的可控性生長和摻雜的新方法、新技術，解決了寬禁帶氧化物半導體純紫外發光/激光器件的制備、激光模式調控新技術新方法等，同時研制出關鍵指標國際領先的紫外/近紅外波段高性能光電探測器件等。在Photon. Res.、Appl.Phys. Lett.、Adv. Funct. Mater.等期刊上發表100余篇論文，授權發明專利8項。成果寫入專著和多篇權威綜述，多次被國際權威行業刊物專題報道。主持3項國家自然科學基金面上項目等各類項目。

沙樹林

南京航空航天大學物理學院

研究方向：低維功能材料，光電功能材料，微納光電器件

沙樹林，南京航空航天大學物理學院博士研究生。2021年于內蒙古工業大學獲得碩士學位。2021年至今于南京航空航天大學物理學院進行博士研究工作。目前以第一作者發表國際期刊SCI檢索論文4篇，參與發表國際期刊SCI檢索論文20余篇。研究興趣主要為光電功能材料和微納光電器件。

科學編輯| 南京航空航天大學姜明明

編輯| 張怡

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