通过真空退火进行缺陷工程调控：实现高性能InSe光电探测器中硒空位的精确控制

《Advanced Electronic Materials》：Defect Engineering via Vacuum Annealing: Precise Selenium Vacancy Control for High-Performance InSe Photodetectors

优化硒空位调控的InSe光电性能与能带机制研究|摘要：采用低温高真空退火策略精准调控InSe中硒空位浓度，抑制相变，显著提升载流子迁移率（达276 cm2/V·s）和光电响应度（2.3×10? A/W），揭示空位密度与光电特性及能带结构的直接关联，为二维InSe器件优化提供新方法

　　本文探讨了真空热退火技术在调控二维材料铟硒（InSe）中硒空位（Se vacancies）浓度方面的作用，从而显著提升其光电性能。InSe作为一种具有卓越电学和光学特性的少层二维半导体材料，被认为在下一代电子和光电子器件中具有巨大潜力。然而，由于其内在缺陷的存在，InSe的性能常常受到限制。因此，本文提出了一种低温、高真空退火策略，以实现对硒空位的精细调控，同时避免不期望的相变，从而优化InSe器件的性能。

在研究中，作者首先通过实验方法制备了InSe器件，包括金-铟硒-金（Au-InSe-Au）和石墨-铟硒-石墨（Gr-InSe-Gr）两种结构，并对其原始光电特性进行了评估。实验结果显示，原始InSe器件表现出n型导电行为，这主要归因于其内部的硒空位和铟间隙原子等缺陷。通过在真空条件下（约10?? Pa）进行退火处理，研究人员发现，退火过程不仅提升了InSe的电子迁移率，还显著增强了其光电响应能力。例如，Au-InSe-Au器件的迁移率从原始状态的1.2 cm2 V?1 s?1提升至276 cm2 V?1 s?1，而光电响应度（photoresponsivity）从1000 A W?1显著提高至2.3 × 10? A W?1。这种性能的提升被归因于退火过程中硒空位浓度的增加，从约2%提升至约7%。

进一步分析表明，真空退火过程中，由于高真空环境有效地去除了吸附的氧气和水分，减少了外部因素对InSe的干扰，使得生成的硒空位能够持续存在。同时，退火温度（150 °C）远低于InSe的相变临界点（通常超过300 °C），从而避免了晶格重构或非晶化现象的发生。这一方法为InSe的缺陷工程提供了一种稳定且可控的平台，使研究人员能够精确调节材料特性。

在退火过程中，研究人员还通过电学和光电特性测量，观察到了一系列显著的变化。例如，随着退火时间的延长，器件的暗电流逐渐增加，表明InSe的电阻在降低。同时，阈值电压（threshold voltage）向更负的方向移动，这进一步证实了退火过程中的n型掺杂效应。此外，退火后的器件在光照条件下表现出更高的电流值和更强的光电响应，这说明退火不仅改善了材料的电学性能，还增强了其对光的响应能力。

值得注意的是，退火过程中引入的硒空位不仅增加了电子浓度，还对载流子的传输机制产生了重要影响。通过X射线光电子能谱（XPS）分析，研究人员发现退火后的InSe中硒空位的比例显著上升，这表明退火确实促进了硒空位的生成。进一步的理论分析表明，这些硒空位在InSe中引入了两种类型的陷阱能级：一种靠近导带底部（CBM），另一种靠近价带顶部（VBM）。这些陷阱能级在器件的光电响应中发挥了关键作用，它们不仅影响了载流子的迁移行为，还通过光闸效应（photogating effect）显著增强了光电转换效率。

从光电响应的角度来看，真空退火后的InSe器件表现出更高的光响应度和更低的光功率指数（α）。光功率指数α通常用于描述光电流与光照功率之间的关系，理想情况下，α值接近1，表明光电流与光照功率呈线性关系。然而，在存在陷阱能级的情况下，α值会下降，这表明光电流的增长速度变慢，而光响应度提高。这种现象被解释为：随着退火时间的延长，陷阱浓度增加，导致光生载流子的寿命延长，从而增强了光闸效应，但同时也降低了器件的响应速度。

本文提出了一种基于能带图的模型，用以解释退火对InSe器件性能的影响。模型指出，硒空位在InSe中引入的陷阱能级不仅改变了载流子的分布，还影响了光生载流子的捕获和释放过程。在光照射条件下，光生电子和空穴在电场作用下分离，从而产生光电流。然而，由于陷阱能级的存在，空穴的捕获时间远长于电子的迁移时间，这导致了光闸效应的增强，从而提升了光电转换效率。然而，这种效应是以牺牲响应速度为代价的，即随着退火时间的延长，器件的响应时间显著增加。

此外，研究还发现，真空退火后的InSe器件在不同退火时间下表现出一致的性能演变趋势。例如，暗电流和阈值电压的变化均呈现出单调递减的趋势，而光电响应度则逐渐上升。这些结果表明，退火对InSe的性能优化具有良好的可重复性和可预测性，为未来高精度的InSe器件设计提供了理论支持和实验依据。

在实验部分，作者详细描述了InSe器件的制备方法，包括机械剥离法、干法转移技术以及XPS和拉曼光谱等表征手段。这些方法帮助研究人员准确评估了InSe的厚度、晶格结构以及化学状态的变化。同时，通过高真空和可变温度探针站进行电学和光电性能测试，确保了实验条件的稳定性和数据的准确性。

综上所述，本文通过引入一种低温、高真空的退火策略，成功实现了对InSe中硒空位的精细调控，从而显著提升了其光电性能。这一发现不仅为InSe材料的缺陷工程提供了新的思路，也为未来高性能InSe器件的开发提供了理论依据和实验指导。研究结果表明，真空退火是一种有效的方法，能够通过调控缺陷浓度，优化InSe的电学和光学特性，为推动二维材料在光电子领域的应用奠定了坚实基础。