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引言
PdSe2是一種具有獨特五邊形褶皺結構的二維材料，具備高遷移率、空氣穩定和可調帶隙等優良性能，之前的研究大多數都是基于光導、光門控和光伏效應的探測機理。因此依賴于外加偏壓或者內接電場來分離電子和空穴，高接觸電阻、低響應度和響應慢等劣勢阻礙了PdSe2的進一步應用。
近期，安徽大學李亮課題組通過化學氣相沉積技術生長了高度各向異性的二維PdSe2晶體，基于光電熱效應制備了基于零偏壓驅動的二維偏振光電探測器，可實現在零偏壓下探測超寬范圍波長甚至是任意波長，該探測器具有超寬范圍響應、空氣穩定，偏振光響應， 響應度高等優勢。需要指出的是，通過引入熱載流子輔助導熱打破了傳統熱探測器響應速度慢的限制，實現了超快光熱電響應（4 µs），是目前已知的基于PdSe2光電探測器中響應速度最快的，這可能為發展超快超寬偏振光探測提供一定的實驗基礎。
圖1. 二維 PdSe2的結構和光熱電響應mapping
實驗與分析
光熱電效應（PTE）是一種獨特的光電流機理，能夠將光、熱、電之間進行能量轉化，通過熱載流子擴散形成溫度梯度來產生電能。李亮課題組前期在二維光熱電探測器方面做了一系列工作（Nat. Mater. 2019，18，476-481； Nat. Mater. 2020, 19, 830-837），本文通過制備一種具有優異性能的二維材料來解決之前報道的光熱電探測器的一些缺點。課題組采用化學氣相沉積法生長合成了具有高度各向異性結構的高質量二維PdSe2單晶（圖2）。進一步研究發現，使用PdSe2作為溝道材料的探測器具有自驅動的性能，以此為突破口，通過在零偏壓下的“非局域化”光響應確定了光熱電探測機理，研究發現基于PdSe2的光熱電探測器實現了4 µs的超快速響應。李亮課題組通過高分辨透射電鏡、X射線電子能譜和拉曼光譜儀等儀器表征了材料的晶格取向和質量，制備了具有高度各向異性形狀的長條狀的二維PdSe2晶體。
圖2. 二維 PdSe2的結構表征
利用轉移電極的方法制備器件，不需要使用EBL等大型儀器。探測器在零偏壓光照射下產生了光電流，當光照射在器件的兩端時，產生了正負光響應（圖3）。通過光電流mapping測量，顯示光電流信號不僅出現在材料和電極的接觸區，還出現在遠離電極和材料接觸的區域。通過這種“非局域”光響應排除了其他光電流機理，確定了基于PdSe2的光熱電效應。
圖3.探究探測器的光電流機理
最后，李亮課題組探究了基于光熱電效應探測器的相關性能指標(圖4)。實驗發現該探測器具有超寬光譜響應，可實現405到904 nm范圍光譜響應。基于熱載流子輔助導熱的光響應速度達到4 µs，從實驗角度證明了熱載流子輔助導熱相對于其他探測的優勢。在本文中，PdSe2也顯示出偏振光響應，進一步拓寬了偏振光熱電探測器的材料選擇范圍。而且PdSe2探測器具有高度空氣穩定性，放置在空氣中長達九個月性能指標仍然穩定，有望用于未來的實際應用中。
圖4.探測器的性能指標
以上研究表明，李亮課題組制備的二維PdSe2晶體具有高度各向異性能作為溝道材料，實現零偏壓驅動的二維偏振光電探測器，其超快光熱電響應速度為4 µs。本文的研究成果為制備二維偏振光電探測器在材料選擇上提供了更多的可能性。
安徽大學李亮教授課題組簡介
李亮教授課題組從事二維材料光電探測器方面的研究。課題已經在國際知名學術期刊發表論文40余篇，包括Adv. Mater., Nat. Commun., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Mater. Horizons.等國際知名期刊。課題組目前有博士2名，碩士8名。
李亮教授簡介：李亮，安徽大學教授，博士生導師。主要研究方向為二維材料光電探測器。先后主持了國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、中國博士后科學基金等項目，為2019年安徽省領軍人才團隊項目核心成員。擔任Sustainability期刊客座編輯， Advanced Materials，ACS Nano等期刊審稿人。在相關領域發表論文40余篇，包括Advanced Materials(4), Nature Communication(1), ACS Nano(3), Advanced Functional Materials(8), Nano Energy(1), Materials Horizons(1)等，總引用1300余次。
文章信息
該成果以“Fast Photothermoelectric Response in CVD-Grown PdSe2 Photodetectors with In-Plane Anisotropy”為題發表在國際知名期刊Advanced Functional Materials上。安徽大學李剛博士為第一作者，安徽大學李亮教授為通訊作者。
文章信息：DOI: 10.1002/adfm.202104787
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