【儀表網 研發快訊】光探測器作為將光信號轉換為電信號的核心器件，在信息通信、環境監測、空間探測等領域具有廣泛應用。隨著實時通信、高精度探測及深紫外信息傳輸的快速發展，研制具有超快響應速度、高響應度、高探測率以及短響應波長的光探測器成為當前該領域的迫切需求。然而，在傳統光電探測器中，這四個參數往往難以同時達到最優。
 

　　內建電場是影響光生載流子分離效率的關鍵因素之一。在傳統的pn結和肖特基二極管光電探測器中，必須構建異質界面來產生內建電場，這一方面增加了器件的復雜性，另一方面異質界面處容易產生位錯、空位和雜質等缺陷，這會大大降低光電探測器的性能。鐵電材料由于具有自發極化產生的本征內建電場，能夠有效促進光生載流子的分離，同時，還可以簡化器件的結構。并且鐵電材料常具有高的介電常數，這有助于降低器件噪聲，因此被認為是構筑高性能光探測器的理想材料。然而，傳統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合會顯著降低器件的響應速度等性能，這限制了鐵電光探測器的綜合性能提升。
 

　　為了解決這一難題并探索高性能鐵電光探測材料，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料顯微科學研究部的相關團隊，通過固相反應法成功制備出高質量的磁鉛石型SrAl11-δTiO19(SATO)鐵電薄膜，利用球差校正透射電子顯微術揭示了SATO的原子結構，發現SATO材料是由沿c軸交替堆疊的巖鹽塊和尖晶石塊組成。顯微結構表征表明，該薄膜中幾乎觀察不到鐵電疇壁，表現出單疇的特征，這為實現高性能光電探測奠定了結構基礎。鐵電性能測量發現，SATO薄膜具有高達7.8 μC/c㎡的剩余極化和超過500小時的鐵電極化保持性能，展現出優異的穩定性。光電性能測量發現，SATO探測器的響應波長為330 nm，響應度高達860 mA/W，探測率達1.63×1013Jones，開關比為1.9×104。尤為突出的是，SATO光電探測器表現出納秒級的超快響應速度，上升時間和下降時間分別為6.8 ns和17.7 ns，比傳統鐵電光探測器快了近一萬倍，突破傳統鐵電光電探測器性能瓶頸。該研究表明SATO材料在實時通信、太空探索、環境監測等領域具有重要應用前景，是下一代光電探測器的理想候選材料。
 

　　該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家博士后科學基金以及廣東省基礎研究重大項目等多個項目的資助。相關研究結果發表在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習副研究員和復旦大學嚴婷婷博士，通訊作者為陳春林研究員和馬秀良研究員，胡衛進研究員、葉恒強院士以及復旦大學方曉生教授為本研究提供了重要支持和指導。
 

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

圖2、SATO薄膜三個低指數帶軸的原子結構。(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。標尺為1 nm。
 

　　圖3、SATO薄膜原子級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特性。(d)通過PUND方法測得的電滯回線，證實SATO薄膜的鐵電性是本征的。SATO薄膜具有高達7.8 μC/c㎡剩余極化和優異的疲勞性能。標尺為2 μm。
 

　　圖5、SATO薄膜的光電性能。(a-c)不同波長、光強和偏壓的光電響應曲線。SATO薄膜對330 nm紫外光響應最強，并具有優異的弱光探測能力。(d, e)不同波長下響應度、探測率和開關比性能。SATO薄膜表現出優異的光電綜合性能。(f)瞬態光響應曲線。SATO薄膜具有納秒級超快的響應速度。