本文介绍了基于二维PN结的柔性光电探测器的最新研究进展，特别是武汉大学肖湘衡教授团队在N-WSe₂/WSe₂横向PN同质结方面的成果。该自供电光电探测器具有宽带光探测能力，并且可以通过单轴拉伸应变调节其光电性能。文章还提供了图文导读和文献信息。
自供电光电探测器的最大响应波段可通过应变调控实现变化。
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成果介绍
基于二维PN结的柔性光电探测器被认为是下一代柔性光电子器件的有前景候选者，例如机器视觉系统、类脑计算、生物医学监测等应用。其中，机器视觉因其在智能时代的广泛应用场景而尤为重要。然而，在复杂的光照条件下，例如强背景干扰和微弱光信号，基于光电探测器的机器视觉系统难以准确识别目标。众所周知，光所携带的视觉信息不仅限于特定波段，而是跨越相当宽的光谱范围。
因此，研究人员希望能够选择性地利用特定波段中的信息来识别物体特征，从而增强抗干扰能力。这种在特定波长范围内选择性探测光、识别特定信息并在不同条件间切换的能力，被称为光电探测器的自适应探测。在自动驾驶、环境监测等领域，自适应探测显示出巨大应用潜力。然而，传统光电探测器通常具有固定的光谱响应，无法实现自适应探测，导致视觉系统成像质量差，视觉特征提取失败。
尽管偏置电压和栅极电压等外加电场已广泛用于调节光电探测器的特性，但这种方法显然会增加功耗。此外，对于柔性光电子器件而言，施加栅极电压具有挑战性，因为栅氧化物介电层在应变下可能破裂。此外，这种方法还显著增加了器件制造的复杂性。因此，探索一种基于PN结的柔性光电子器件特性调控的可行方法至关重要。
有鉴于此，武汉大学肖湘衡教授团队
通过低能氮（N）离子注入建立了N-WSe
2
/WSe
2
横向PN同质结，并将其应用于自供电光电探测器领域。制备的器件在±3V偏置下表现出优异的电流整流行为，整流比约为1.8 × 10³。此外，该自供电光电探测器展示了从500 nm到850 nm的宽带光探测能力。为了进一步调节光电性能，引入了单轴拉伸应变。值得注意的是，随着拉伸应变的增加，器件对可见光（500–750 nm）的光响应初始增加，随后出现下降。然而，对近红外光（800-850 nm）的光响应则随着拉伸应变的增大持续改善。自供电光电探测器的最大响应波段从550 nm（无应变状态）变化为800 nm（在1.04%拉伸应变下）。这种应变可调的主导响应波段为其在可调节人工视觉应用中的前景提供了极大的潜力。
图文导读
图1.(a)WSe₂薄片的光学显微镜图像。上部显示为灰色的是由MMA/PMMA光刻胶封装的原始WSe₂，底部紫色部分是通过电子束光刻(EBL)和显影暴露的氮掺杂WSe₂(N-WSe₂)。比例尺为10μm。(b)N-WSe₂/WSe₂横向同质结的原子力显微镜(AFM)图像。比例尺为10μm。XPS对比原始WSe₂和N-WSe₂的(c)(N 1s)、(d)(W 4f)和(e)(Se 3d)核能级。(f)原始WSe₂和N-WSe₂的价带光电子能谱。
图2.(a)原始WSe₂（蓝色）和注入剂量为1×10¹⁴ions cm⁻²的N-WSe₂（红色）的转
移特性曲线。(b)原始WSe₂和(c)N-WSe₂的输出电流。(d)制备的N-WSe₂/WSe₂PN结的整流曲线，采用对数坐标表示。(e)不同光照功率密度下N-WSe₂/WSe₂
PN结的输出特性曲线。(f)开路电压(Voc)和短路电流(Isc)随光照功率密度的变化关系。
图3.(a)在无应变状态（上部）和有应变状态（下部）下的光电子测量过程示意图。(b)该器件在532 nm激光光功率密度
为
0.749 mW cm⁻²
照射下，不同
拉伸应变
下的I–V曲线。(c)在零偏置下，光电流随外加应变的变化曲线。(d)无应变状态和(e)1.04%拉伸应变状态下器件的响应波段，均在零偏置条件下测量。(f)在不同拉伸应变和不同波长入射光条件下，基于N-WSe₂/WSe₂横向PN同质结光电探测器的(f)响应度(R)、(g)探测率(D*)和(h)外量子效率(EQE)计算结果。
图4.在(a)无应变状态、(b)0.26%、(c)0.52%和(d)0.78%拉伸应变下，N-WSe₂/WSe₂横向同质结的KPFM测量结果。比例尺为5μm。沿白色虚线箭头方向施加单轴拉伸应变。(e)在(a–d)中红色虚线位置获取的结区电势分布图。图中用∆
表示电势差。
图5.应变调控N-WSe₂/WSe₂横向PN同质结能带结构变化的示意图。(a)WSe₂和N-WSe₂的本征能带对齐。(b)在自供电条件下，无应变N-WSe₂/WSe₂横向PN同质结的光伏过程。结界面在(c)小应变和(d)大应变下的能带结构变化。
文献信息
Strain-Modulated Dominant Response Band of Self-Powered Photodetector Based on WSe
2
Lateral PN Homojunction
（Small
,2024,
DOI:10.1002/smll.202410773
）
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202410773
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