研究具有优异光电性能的硅基底负载二维GeSe薄膜

《Materials Today Advances》：Investigating silicon substrate loaded 2D GeSe films with excellent optoelectronic performance

本研究采用物理气相沉积法在陶瓷、SiO?/Si和玻璃基板上制备了GeSe薄膜，通过XRD、SEM和XPS等表征手段，发现SiO?/Si基板上的GeSe纳米线结晶质量最优，具有高灵敏度（28.28）、快速响应时间（14ms）和短恢复时间（43ms），为高性能光电器件开发提供了新思路。

　　二维材料以其优异的光电特性在半导体行业和先进光电设备的发展中占据了重要地位。近年来，随着对低维材料及其应用研究的深入，越来越多的科学家开始关注二维锗硒（GeSe）材料。GeSe作为一种典型的IV-VI化合物，具有显著的结构各向异性、良好的环境稳定性、广泛的光学吸收范围以及适中的带隙等特性，使其成为光电器件领域极具潜力的候选材料之一。本研究通过物理气相沉积（PVD）技术成功地在陶瓷、SiO?/Si以及玻璃基底上制备了GeSe薄膜，并对其微观结构、晶体形貌和化学组成进行了全面表征。研究结果表明，与陶瓷和玻璃基底相比，GeSe纳米线在SiO?/Si基底上表现出更高的结晶度、更均匀的直径分布和更优异的结构一致性。此外，光电性能测试显示，GeSe纳米线在880 nm波长下展现出高灵敏度（28.28）、快速响应时间（14 ms）和短恢复时间（43 ms），这些特性凸显了其在高性能光电探测领域的应用潜力。本研究不仅为GeSe薄膜的制备提供了更精细的技术手段，也为优化其光电性能以适应未来技术需求提供了宝贵的参考。

GeSe的优异光电特性使其在半导体器件和新型光电子技术中具有重要价值。与石墨烯衍生的其他二维材料（如MoS?、InSe和黑磷）相比，GeSe同样展现出独特的物理和化学特性。其结构各向异性不仅影响其光学响应范围，还决定了其在不同方向上的载流子迁移能力。同时，GeSe在近红外（NIR）至紫外（UV）波段的宽光谱吸收能力，使其成为适用于多种光电应用的理想材料。GeSe的带隙约为1.14 eV，这一数值在光电器件设计中具有重要意义，因为它允许GeSe在可见光和近红外光谱范围内有效工作。此外，GeSe具有较高的载流子迁移率（约128.6 cm2/V/s），这一特性有助于提高器件的响应速度和效率。GeSe的晶格结构为正交晶系，空间群为Pnma（62），其晶格常数分别为a = 1.084 nm，b = 0.383 nm，c = 0.439 nm。这种晶格结构使得GeSe在层间具有较强的范德华（VDW）力，同时在层内具有稳定的共价键，从而降低了表面悬挂键和表面态的存在，提高了其化学和环境稳定性。

GeSe的制备方法多种多样，包括机械剥离、液相剥离、快速热亚（RTS）、物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。其中，机械剥离虽然操作简便且能够保持材料的高结晶度，但其在薄膜面积、厚度、尺寸和洁净度方面存在明显限制，难以用于大规模的器件制造。液相剥离技术成本低且产量高，但难以精确控制薄膜厚度，且残留溶剂可能影响其光电性能。RTS方法虽然具有快速加热的优势，但温度控制不够精确，可能导致材料性质不均，同时高温可能引发部分材料的挥发或分解，造成材料损失。此外，RTS技术对热控系统的要求较高，增加了操作的复杂性和成本。相比之下，PVD技术因其良好的均匀性和大范围薄膜生长能力而受到越来越多的关注。通过调整加热温度、载气流速、生长时间和源材料用量等参数，PVD方法可以制备出高质量、均匀的GeSe薄膜，且在多种基底上都能实现良好的生长效果。

GeSe薄膜的光电性能与其晶格匹配、缺陷密度和化学兼容性密切相关。优化的晶体结构能够提高GeSe薄膜的载流子迁移率，从而间接改善基于GeSe的器件的响应度和灵敏度。基底匹配对于GeSe薄膜的定向生长和性能优化具有决定性作用。合适的基底晶格匹配和热力学设计能够直接影响GeSe薄膜的晶向和晶格缺陷含量，进而影响其应力状态和光电性能。例如，生长在单晶基底上的GeSe薄膜通常表现出更优的晶向性，而生长在玻璃或陶瓷基底上的GeSe薄膜则可能形成多晶或无序结构，从而降低其光电性能。此外，基底的热导率也对GeSe薄膜的生长质量产生重要影响。高热导率的基底有助于实现均匀的温度分布，从而促进高质量薄膜的形成，而低热导率的基底可能导致温度分布不均，影响薄膜的结构和性能。基底与GeSe薄膜之间的界面相互作用同样不可忽视。强附着力可以提高薄膜的稳定性，但过强的结合可能导致应力积累，从而引发薄膜开裂。因此，合理的基底匹配对于优化GeSe薄膜的晶界结构和载流子迁移率至关重要，这对于提升基于GeSe的半导体器件的性能具有关键作用。

在本研究中，GeSe薄膜被制备在陶瓷、玻璃和SiO?/Si基底上。通过PVD方法，GeSe原子在基底上沉积，并通过物理方式形成薄膜，而不是通过化学反应实现原子间的直接键合。然而，在薄膜生长过程中，基底的晶格匹配仍然发挥着重要作用。通过调节沉积参数，如温度和载气流速，可以实现GeSe薄膜在基底上的定向生长。研究发现，GeSe薄膜在SiO?/Si基底上表现出显著的（111）衍射峰，并且应力水平较低，表明其在（111）晶面上具有优先生长倾向。这种晶向性有助于减少压缩应力和晶格畸变，从而提升薄膜的结晶质量。与陶瓷基底相比，玻璃基底上的GeSe薄膜表现出较差的晶格匹配，导致较大的晶格畸变和较高的应力，影响其光电性能。而SiO?/Si基底由于其良好的晶格匹配和单晶特性，能够促进GeSe薄膜在特定晶面上的定向生长，从而实现更高质量的纳米线结构。

为了进一步探究GeSe薄膜的生长机制及其对应的光电响应特性，研究团队对其进行了多维度的表征分析。通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术，研究人员能够观察到GeSe薄膜在不同基底上的微观结构和晶向分布。XRD图谱显示，GeSe薄膜在SiO?/Si基底上具有更尖锐的衍射峰，且半峰宽（FWHM）值较小，这表明其晶粒尺寸较大，结晶质量较高。而玻璃基底上的GeSe薄膜则表现出较差的晶格匹配，导致其晶粒尺寸较小，且FWHM值较大，晶格畸变和缺陷较多。此外，研究还通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）进一步验证了GeSe薄膜的晶格结构，发现其晶格间距与标准GeSe样品一致，表明其晶体结构的准确性。通过X射线光电子能谱（XPS）分析，研究人员确认了GeSe薄膜的高纯度和良好化学稳定性，这些特性为后续的结构和应用研究提供了坚实的基础。

研究团队还利用拉曼光谱对GeSe薄膜的化学组成和结构进行了进一步分析。拉曼光谱显示，GeSe在不同基底上表现出不同的峰位和强度，这与基底的晶格匹配、表面能和热膨胀系数等因素密切相关。例如，GeSe在玻璃基底上的拉曼峰强度较弱，可能与基底的晶格畸变和缺陷有关。而陶瓷和SiO?/Si基底上的GeSe薄膜则表现出更强的拉曼信号，这表明其晶体质量较高。通过分析不同基底上的拉曼峰位变化，研究人员推测这种变化可能与晶格应力和界面相互作用有关。这些发现进一步证明了SiO?/Si基底在制备高质量GeSe薄膜方面的优势。

在光电性能测试方面，研究团队评估了GeSe薄膜在不同波长下的响应特性。实验结果表明，GeSe纳米线在880 nm波长下表现出显著的光电响应能力，其灵敏度达到28.28，响应时间仅为14 ms，恢复时间仅为43 ms，这些数值远优于其他基底上的GeSe薄膜。此外，GeSe纳米线在不同基底上的光电性能差异主要源于其晶体质量、表面缺陷和晶格应力等因素。例如，SiO?/Si基底上的GeSe纳米线由于其较低的晶格畸变和应力，表现出更高的光电灵敏度和更优异的响应特性。相比之下，玻璃基底上的GeSe纳米线由于较高的晶格畸变和缺陷密度，其光电性能相对较弱。然而，玻璃基底上的GeSe薄膜尽管晶体质量较差，却表现出较高的光电响应，这可能与表面缺陷对载流子捕获和迁移的促进作用有关。

通过扫描电子显微镜（SEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对GeSe纳米线的微观结构进行了详细观察。SEM图像显示，GeSe在陶瓷基底上形成高度有序的垂直纳米线阵列，而玻璃基底上的GeSe则表现出多面体形态，且纳米线的直径和长度分布较为不均。相比之下，SiO?/Si基底上的GeSe纳米线更长、更细且分布更为密集，这表明其生长过程更加有序和均匀。HRTEM图像进一步揭示了GeSe纳米线的晶格结构，证实了其在不同基底上的生长方向和晶格匹配情况。这些结果为理解GeSe纳米线的生长机制提供了重要依据，并为后续的性能优化和应用开发奠定了基础。

在光电性能的进一步分析中，研究团队计算了不同基底上的GeSe薄膜的光电参数，包括响应度（R）、探测率（D*）和量子效率（EQ）。结果表明，GeSe在玻璃基底上的响应度达到12.68 mA/W，远高于其他基底上的GeSe薄膜。然而，玻璃基底上的GeSe由于较高的暗电流，导致其整体性能受到一定限制。相比之下，SiO?/Si基底上的GeSe纳米线在暗电流和光电响应之间实现了更好的平衡，其探测率和量子效率均较高，表明其在光电器件中的应用潜力。这些参数的计算不仅有助于评估GeSe薄膜的光电性能，也为优化其在不同基底上的生长条件提供了理论依据。

此外，研究团队还通过电流-电压（I-V）曲线和电流-时间（I-T）曲线对GeSe薄膜的光电响应特性进行了详细分析。实验结果显示，GeSe在880 nm波长下的响应和恢复时间显著优于其他基底上的GeSe薄膜，这表明其在高速光通信和实时成像等应用中具有重要价值。例如，GeSe-SiO?/Si薄膜的响应时间仅为14 ms，恢复时间仅为43 ms，远低于文献中报道的其他GeSe基底的响应时间。这些数据进一步证明了GeSe在SiO?/Si基底上的优异性能，为未来高灵敏度和高响应速度的光电器件设计提供了新的思路。

综上所述，本研究通过系统性的实验和理论分析，揭示了GeSe薄膜在不同基底上的生长机制和光电性能。结果表明，SiO?/Si基底能够有效促进GeSe纳米线的定向生长，减少晶格畸变和应力，从而提高其结晶质量和光电性能。GeSe纳米线在880 nm波长下的高灵敏度和快速响应时间，使其在高性能光电探测领域展现出广阔的应用前景。同时，研究还发现，尽管玻璃基底上的GeSe薄膜表现出较高的光电响应，但其较高的暗电流限制了其在实际应用中的效率。因此，优化GeSe薄膜的生长条件和基底选择，是提升其光电性能的关键。本研究不仅为GeSe材料的制备和应用提供了新的方法，也为未来高效率光电器件的发展奠定了理论和技术基础。