吉林大学教授团队在功能材料光电特性压力调控方面取得进展

近日，吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授、李全军教授团队与北京航空航天大学杜轶教授合作，在功能材料光电特性的压力调控方面取得进展。相关研究以“Synchronous pressure-induced enhancement in the photoresponsivity and response speed of BiOBr”为题，发表于《材料学报》(Acta Materialia 263 (2024) 119529)。

光电探测器可以将光信号直接转换为电信号，在光电显示、目标跟踪、光谱分析、光通信和安检等领域发挥着越来越重要的作用。下一代光电探测器目前正朝着室温工作、超高响应度、高灵敏度、快速响应和宽带方向发展。基于层状半导体的光电探测器虽然表现出了超高的性能，但其整体性能还不能满足实际应用的要求。例如，石墨烯基探测器的响应时间非常快，约为50 ps；然而，它们的响应度相对较低，范围从5到10×10⁻⁹A/W。相比之下，MoS₂基光探测器具有30A/W的高响应度，但其响应速度有限，通常在10到100s之间。一般通过光导效应获得显著的光增益通常是以牺牲响应速度为代价的。因此，一个关键的挑战在于同时实现高灵敏度和快速检测，这是满足光电子行业需求的关键。

在该研究中，刘冰冰教授研究团队对一种具有[Bi₂O₂]²⁺基的新型层状半导体BiOBr进行了深入的研究，发现其在高压下呈现出异常的电子结构变化并在压力下展现出优异的光电性质。通过施加压力成功的实现了BiOBr光响应度和响应速度的同步提高。在约3.8 GPa压力下，BiOBr的光响应度和响应速度均有近一个数量级的显著提升。理论计算表明，其在压力下优异的光电性质源于压力有效的降低了载流子的有效质量，并促进了Bi-O间的电荷转移。这是首次在光电功能材料中通过压力实现响应度和响应速度的同步提升。该研究提出利用压力全面提升功能材料的光电响应特性的新思路，扩展了光电性质的调控手段，并为设计高增益、快速响应的光电探测器提供了新的见解。

图1. BiOBr的光响应度和响应时间的压力依赖性

图2. BiOBr在压力下对频率为1 Hz，10 Hz和100 Hz的405 nm脉冲激光的瞬态光响应。

吉林大学超硬材料国家重点实验室博士研究生岳磊、田夫波教授和北京航空航天大学崔丹丹讲师为论文共同第一作者，通讯作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室的刘冰冰教授、李全军教授和北京航空航天大学杜轶教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助支持。

论文全文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119529

来源：吉林大学物理学院