哈工大材料科学与工程学院王金忠教授团队在大面积硫化铋薄膜制备与光电应用方面取得新突破

哈工大全媒体（李双余 容萍 文/图）近日，材料科学与工程学院王金忠教授团队构筑大面积且高度有序的硫化铋（Bi₂S₃）薄膜，并探讨其多波段探测能力，相关成果以《具有开放通道且高度有序Bi₂S₃薄膜的表面工程，用于高性能宽光谱光电探测器》（Surface engineering of highly ordered Bi₂S₃ film with open channels toward high-performance broadband photodetection）为题发表在国际学术期刊《信息材料》（InfoMat）上。该研究为其他有序薄膜的生长提供了重要理论基础，揭示了高度有序Bi₂S₃薄膜在构建多功能光电器件方面的潜力。 

宽光谱光电探测器由于能够实现准确的信号传输和信息的可视化呈现，在成像、光通信和遥感等各个应用领域中发挥着重要作用。具有一维链状结构和各向异性的Bi₂S₃是一种新型的窄带隙半导体材料，有着较大的载流子迁移率、较高的光吸收系数、无毒、储量丰富和成本低等优点，被认为是一种有前景的宽光谱光电探测材料。然而，目前已报道的Bi₂S₃光电探测器大都是基于单根纳米线或纳米带构建的，其制备工艺复杂并且难以集成，限制了Bi₂S₃半导体材料在大规模光电子器件中的实际应用。

有鉴于此，并考虑到一维纳米结构具有直接电荷传输途径、较大的比表面积和纵横比等优点，王金忠团队通过第一性原理计算研究了Bi₂S₃纳米带在云母衬底上生长的有利取向，采用化学气相沉积法合成由一维纳米带组成的具有开放通道且高度有序的Bi₂S₃薄膜，并基于该薄膜构建了光电探测器。研究结果表明，该器件展示出优异的宽光谱光响应（365-940 nm），具有98.51 mA/W的响应度，2.03×10¹⁰ Jones的比探测率和良好的长期稳定性和空气稳定性。基于Bi₂S₃薄膜光电探测器良好的宽光谱探测性能及优异的长期稳定性和空气稳定性，该Bi₂S₃薄膜光电探测器被用作传感像素和信号接收终端，成功实现了“H”“I”和“T”字符的清晰成像以及信息的安全传输。

材料科学与工程学院高世勇副教授、贺雯助理教授和王金忠教授为论文共同通讯作者，博士研究生容萍为论文第一作者。材料科学与工程学院矫淑杰副教授，博士研究生任帅、韩亚洁；哈尔滨师范大学物理与电子工程学院李林教授、张明义副教授；深圳校区助理研究员陈青参与相关研究工作。

该研究获国家重点研发项目、国家自然科学基金和黑龙江省自然科学基金资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12567

图1 （A）为AFM图，插图为Bi₂S₃薄膜实物图；（B）为HAADF-STEM以及Bi和S的元素映射图；（C）为低倍TEM图；（D）为高倍TEM图；（E）和（F）为O-K和O-Si面上不同方向Bi₂S₃纳米带的能量极坐标图；（G）和（H）为O-K和O-Si面上60°和120°的Bi₂S₃纳米带的原子结构俯视图

图2 （A）为I-V曲线；（B）为入射波长为365-940 nm的光照射下的光响应特性；（C）为不同光强625 nm入射光照射下Bi₂S₃薄膜光电探测器的I-V曲线；（D）为光电流与光强的关系；（E）为放大的电流上升和衰减边缘；（F）为响应速度与光强的关系；（G）和（H）为入射波长为365-940 nm的光照射下的响应度和比探测率