【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】光探測(cè)器作為將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的核心器件，在信息通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。隨著實(shí)時(shí)通信、高精度探測(cè)及深紫外信息傳輸?shù)目焖侔l(fā)展，研制具有超快響應(yīng)速度、高響應(yīng)度、高探測(cè)率以及短響應(yīng)波長(zhǎng)的光探測(cè)器成為當(dāng)前該領(lǐng)域的迫切需求。然而，在傳統(tǒng)光電探測(cè)器中，這四個(gè)參數(shù)往往難以同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。
 

　　內(nèi)建電場(chǎng)是影響光生載流子分離效率的關(guān)鍵因素之一。在傳統(tǒng)的pn結(jié)和肖特基二極管光電探測(cè)器中，必須構(gòu)建異質(zhì)界面來(lái)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，這一方面增加了器件的復(fù)雜性，另一方面異質(zhì)界面處容易產(chǎn)生位錯(cuò)、空位和雜質(zhì)等缺陷，這會(huì)大大降低光電探測(cè)器的性能。鐵電材料由于具有自發(fā)極化產(chǎn)生的本征內(nèi)建電場(chǎng)，能夠有效促進(jìn)光生載流子的分離，同時(shí)，還可以簡(jiǎn)化器件的結(jié)構(gòu)。并且鐵電材料常具有高的介電常數(shù)，這有助于降低器件噪聲，因此被認(rèn)為是構(gòu)筑高性能光探測(cè)器的理想材料。然而，傳統(tǒng)鐵電材料通常含有不同極化方向的高密度鐵電疇，光生載流子在疇壁處的散射與復(fù)合會(huì)顯著降低器件的響應(yīng)速度等性能，這限制了鐵電光探測(cè)器的綜合性能提升。
 

　　為了解決這一難題并探索高性能鐵電光探測(cè)材料，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心材料顯微科學(xué)研究部的相關(guān)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)固相反應(yīng)法成功制備出高質(zhì)量的磁鉛石型SrAl11-δTiO19(SATO)鐵電薄膜，利用球差校正透射電子顯微術(shù)揭示了SATO的原子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)SATO材料是由沿c軸交替堆疊的巖鹽塊和尖晶石塊組成。顯微結(jié)構(gòu)表征表明，該薄膜中幾乎觀察不到鐵電疇壁，表現(xiàn)出單疇的特征，這為實(shí)現(xiàn)高性能光電探測(cè)奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。鐵電性能測(cè)量發(fā)現(xiàn)，SATO薄膜具有高達(dá)7.8 μC/c㎡的剩余極化和超過(guò)500小時(shí)的鐵電極化保持性能，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。光電性能測(cè)量發(fā)現(xiàn)，SATO探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)為330 nm，響應(yīng)度高達(dá)860 mA/W，探測(cè)率達(dá)1.63×1013Jones，開關(guān)比為1.9×104。尤為突出的是，SATO光電探測(cè)器表現(xiàn)出納秒級(jí)的超快響應(yīng)速度，上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為6.8 ns和17.7 ns，比傳統(tǒng)鐵電光探測(cè)器快了近一萬(wàn)倍，突破傳統(tǒng)鐵電光電探測(cè)器性能瓶頸。該研究表明SATO材料在實(shí)時(shí)通信、太空探索、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，是下一代光電探測(cè)器的理想候選材料。
 

　　該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家博士后科學(xué)基金以及廣東省基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目的資助。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nature Communications雜志上，題為“Ferroelectric ultraviolet photodetector material with ultrafast response speed”。論文的共同第一作者為閆學(xué)習(xí)副研究員和復(fù)旦大學(xué)嚴(yán)婷婷博士，通訊作者為陳春林研究員和馬秀良研究員，胡衛(wèi)進(jìn)研究員、葉恒強(qiáng)院士以及復(fù)旦大學(xué)方曉生教授為本研究提供了重要支持和指導(dǎo)。
 

　　圖1、AlN和SATO薄膜的顯微結(jié)構(gòu)。(a, b) AlN/STO截面樣品的透射電鏡明場(chǎng)像和選區(qū)電子衍射圖。(c, d) SATO/STO截面樣品的透射電鏡明場(chǎng)像和選區(qū)電子衍射圖。SATO薄膜中未觀察到明顯鐵電疇壁，表明其具有單疇特征。標(biāo)尺為200 nm。
 

圖2、SATO薄膜三個(gè)低指數(shù)帶軸的原子結(jié)構(gòu)。(a-c)分別沿、和帶軸觀察的掃描透射電鏡HAADF像和(d-f) ABF像。SATO由巖鹽塊(R)和尖晶石塊(S)沿c軸交替排列而成。標(biāo)尺為1 nm。
 

　　圖3、SATO薄膜原子級(jí)EDS能譜面掃。(a) SATO薄膜HAADF圖像。(b-e) Sr、Al、Ti和O元素分布面掃。(f) Sr、Ti和Al元素疊加圖像。Ti原子部分取代了4f1 Wyckoff位置的Al原子。標(biāo)尺為5 Å。
 

　　圖4、SATO薄膜的鐵電性能。(a-c) PFM振幅與相位圖顯示了清晰的鐵電翻轉(zhuǎn)特性。(d)通過(guò)PUND方法測(cè)得的電滯回線，證實(shí)SATO薄膜的鐵電性是本征的。SATO薄膜具有高達(dá)7.8 μC/c㎡剩余極化和優(yōu)異的疲勞性能。標(biāo)尺為2 μm。
 

　　圖5、SATO薄膜的光電性能。(a-c)不同波長(zhǎng)、光強(qiáng)和偏壓的光電響應(yīng)曲線。SATO薄膜對(duì)330 nm紫外光響應(yīng)最強(qiáng)，并具有優(yōu)異的弱光探測(cè)能力。(d, e)不同波長(zhǎng)下響應(yīng)度、探測(cè)率和開關(guān)比性能。SATO薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的光電綜合性能。(f)瞬態(tài)光響應(yīng)曲線。SATO薄膜具有納秒級(jí)超快的響應(yīng)速度。