具有偏振控制紫外响应性和增强热稳定性的反向栅极WS2增强型钛酸钡光敏晶体管

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Back-Gated WS2-Enhanced Barium Titanate Phototransistor with Polarization-Controlled UV Responsivity and Enhanced Thermal Stability

1. 研究利用WS?/BTO异质结构建背栅铁电场效应晶体管，实现零外部栅极偏压下的超低暗电流（12.3 pA）和高响应度（38.5 A/W），并通过极化调控显著提升光电流至22.5 μA，同时保持40-80°C宽温域稳定性。

　　一种高性能的紫外（UV）光电晶体管利用了WS?/钛酸钡（BTO）异质结构，并采用背栅铁电场效应配置。BTO纳米颗粒通过水热合成法制备，并被旋涂在TiO?层上；而单层WS?则被滴涂在铝源漏电极之间。该异质结构的内在铁电场，约为60 kV/cm，实现了由极化诱导的载流子调制，使得在无外部栅极偏压的情况下，暗电流仅为12.3 pA。紫外-可见光谱分析显示，纯BTO的带隙为3.32 eV，而WS?/BTO复合材料的带隙减少至3.13 eV，从而提升了紫外-可见光的吸收能力。拉曼光谱进一步验证了WS?在集成后的结构完整性。WS?的引入使得BTO的矫顽场从40 kV/cm降低至20 kV/cm，同时剩余极化从2.5 μC/cm2减少到2.0 μC/cm2，表明极化开关的效率得到了显著提高。在周期性极化测试中，光电流显著增强了28倍，从0.8 μA增加到22.5 μA，并且实现了高达38.5 A/W的峰值响应率。该设备表现出快速的上升时间（0.8秒），保持了超过10?的切换比，并且在40–80°C的温度范围内表现出稳定的运行性能。这些结果表明，WS?/BTO异质结构在能量效率和极化调制的紫外光电探测方面具有巨大潜力，适用于存储器、光学传感器和可穿戴电子等应用。

随着环境监测、医疗和安全领域对先进紫外光电探测器需求的增加，发展高性能、低功耗的光电器件变得尤为重要。在这一背景下，二维（2D）材料因其高载流子迁移率、可调带隙和超薄结构而被视为理想候选材料。然而，这些材料在实际应用中仍面临一些挑战。例如，其高表面积与体积比可能导致散热效率低下；而固有的低光学吸收能力则需要更强的光照才能实现有效的光电响应。此外，2D材料通常需要较高的外部电压才能正常工作，这限制了它们在低功耗系统中的集成应用。因此，通过创新的设计，如铁电场效应晶体管（FeFET）和先进的材料组合，可以有效提升二维光电晶体管的灵敏度、稳定性和整体性能，以满足UV检测的特定需求。

为了克服二维材料光电晶体管的局限性，将铁电材料与2D材料结合成为一种有吸引力的解决方案。铁电材料具有自发极化特性，能够产生强局部电场，从而改善载流子迁移、解决热管理问题并提高设备在热波动下的稳定性。此外，铁电材料的负电容效应显著提高了灵敏度和光学吸收能力，补偿了二维材料的低吸收截面，使设备在较低的光照强度下也能有效运行。这种集成方式降低了对高外部偏压的依赖，符合低功耗系统的应用需求，并确保了设备的非易失性特性，使其在多种条件下保持一致的性能。

因此，通过修改二维晶体管的栅极介质，可以带来多方面的改进。首先，它增强了对沟道的静电控制，优化了载流子浓度，从而提升了设备的整体性能，这在MOSFET或FeFET的优化中尤为重要。其次，铁电材料的负电容效应带来电压放大作用，减少了对外部偏压的需求，从而降低了功耗。此外，引入铁电介质还能提高设备的灵敏度，使Schottky势垒高度和载流子动力学能够被有效调控，这对UV检测具有显著优势。铁电材料的非易失性特性有助于提高设备的运行稳定性，使其在记忆设备或依赖保留的逻辑应用中更具优势。最后，通过修改栅极介质，可以补偿二维材料的低吸收截面，使设备在较低的光照强度下也能实现有效的光电探测。

在这一研究中，通过将WS?作为沟道材料，结合BTO的铁电特性，开发了一种极化调制的WS?/BTO光电晶体管。与之前的rGO/BTO紫外光电探测器相比，该研究将rGO替换为WS?作为沟道材料，并利用BTO的极化直接调控WS?（铁电场效应），从而实现无需外部栅极偏压的非易失性控制。这种设计不仅提高了设备的响应能力，还展现了其在高温下的良好运行性能，并通过XRD/Rietveld方法验证了BTO的活性铁电相（四方BTO）的存在，将结构证据与设备行为相一致。研究的目标是展示将原子级薄的WS?沟道与超薄铁电BTO介质结合，如何克服二维光电晶体管中吸收与偏压之间的权衡，实现非易失性、极化编程的光电响应，同时保持优异的热稳定性。

为了实现这一目标，研究人员采用了两步法来制备BTO层。首先，通过水热法合成BTO纳米颗粒，然后将这些纳米颗粒旋涂在生长在钛箔上的TiO?薄膜上。通过引入WS?作为沟道材料，显著提升了光电晶体管的性能。WS?的加入使设备在运行效率和效果方面得到增强，同时引入了一种新颖的极化方法，通过背栅结构生成双极脉冲，从而在超薄BTO铁电薄膜中产生一个可控的、非易失性的局部电场（约60 kV/cm），有效调控沟道的传输特性以及Schottky势垒。研究结果表明，负电容效应引发的放大作用是性能提升和增强光学吸收能力的关键。这种强内部电场能够高效分离光生载流子，有效补偿了单层WS?的低吸收截面。这种低功耗运行的成果体现在无需外部栅极电压即可实现的超低暗电流（12.3 pA），从而实现了20倍的响应率提升，达到38.5 A/W，表现出极低的漏电流和低功耗。这些进步超过了以往基于铁电材料但采用固定栅极偏置的二维光电晶体管的性能。

在实验部分，研究人员详细描述了BTO纳米颗粒的合成方法。首先，使用50 mL的三氯化钛（TiCl?）和12 mL的盐酸（HCl）制备了TiO?溶液（称为溶液A），然后将其加入到高压釜中，在180°C和12 kg/cm2的条件下进行水热生长。接着，将生长的TiO?溶液在80°C下干燥，制备成TiO?纳米颗粒。随后，将这些纳米颗粒与另一溶液（溶液B，其中溶解了42.56 g的氢氧化钡八水合物Ba(OH)?·8H?O）混合，并在225±2°C和27 kg/cm2的条件下再次进行水热生长，最终制备成BTO纳米颗粒。这一过程确保了BTO纳米颗粒的高质量和均匀性，为后续的光电晶体管构建提供了理想的材料基础。

在光电晶体管的制造过程中，首先在钛箔上通过水热法合成TiO?薄膜。接着，将制备好的BTO纳米颗粒通过1-氮甲基-2-吡咯烷酮（1-NMP）作为溶剂，以12.5 mg/mL的浓度旋涂在TiO?基底上。旋涂后，通过超声处理确保溶液的均匀混合，然后在1500 rpm的条件下进行5分钟的旋涂，最后在80°C的烘箱中干燥。为了形成源漏电极，研究人员采用溅射法在BTO/TiO?结构上沉积铝电极，持续时间为15分钟，直流功率为100 W。这一工艺确保了铝电极的均匀覆盖和良好的电接触性能，为后续的光电探测测试提供了可靠的电极结构。

为了进一步提升光电晶体管的性能，研究人员引入了WS?作为沟道材料。WS?是通过Sigma-Aldrich公司购买的，纯度为99%，粉末粒径为2 μm。在制备过程中，将WS?粉末加入到1-NMP溶剂中，形成1.5 mg/mL的WS?溶液。通过超声处理确保溶液的均匀混合，随后在6000 rpm下离心30分钟，以去除任何杂质。最终，将0.5 μL的WS?溶液通过滴涂法施加在铝电极之间，形成一个1 mm × 1 mm的传感区域。整个过程完成后，将带有WS?的光电晶体管在70°C的热板上进行干燥。这一步骤确保了WS?的均匀分布和良好的附着力，为后续的性能测试提供了理想的沟道结构。

在材料表征方面，研究人员利用X射线衍射（XRD）和Rietveld精修方法对BTO/TiO?/Ti结构、WS?/TiO?/Ti结构以及WS?/BTO/TiO?/Ti结构进行了分析。结果表明，BTO薄膜匹配于四方相BaTiO?（P4mm），其衍射峰与四方相的特征峰一致，确认了BTO在设备中的铁电相。此外，WS?的引入并未改变BTO的铁电结构，而是进一步稳定了其晶体排列。这些结果验证了WS?/BTO异质结构在材料层面的可行性，为后续的光电性能提升奠定了基础。

紫外-可见光谱（UV–vis）分析揭示了BTO和WS?/BTO复合材料在不同波长下的光学行为。纯BTO的吸收谱显示其在紫外区域具有强烈的吸收特性，表明其宽禁带（约3.32 eV），支持其作为光催化剂在紫外光下的应用。然而，其在可见光区域的吸收能力较弱，无法有效利用可见光。相比之下，WS?/BTO复合材料在可见光区域表现出增强的吸收特性，表明WS?的引入改善了材料对可见光的利用能力。WS?作为一种过渡金属二硫化物，具有较窄的禁带（约1.35 eV），使其能够吸收可见光和近红外光。WS?与BTO之间的协同作用可能形成了具有减少整体光学禁带（约3.13 eV）的复合结构，从而扩展了其光学响应范围。这种结构优化有效提升了设备的光吸收能力，为实现更广泛的光谱响应提供了可能。

拉曼光谱进一步揭示了BTO和WS?/BTO复合材料的晶格振动和相态信息。对于BTO，A1(TO)、B1/E(TO)和A1(LO)等峰对应于四方相的晶格振动，这些模式源于BTO晶格中TiO?八面体的对称和不对称振动。这些峰的出现证实了BTO在设备中保持了其极性四方相的结构完整性，这是其铁电和光催化性能的基础。而WS?/BTO复合材料的拉曼光谱则显示出WS?特有的振动峰，如360.33 cm?1（E?g1）和426.73 cm?1（A?g），表明WS?在复合材料中保留了其结构特性。这些拉曼活性模式揭示了材料的复杂晶格动力学，直接解释了BTO的高介电常数和强极化特性。WS?的引入不仅提升了材料的光吸收能力，还优化了载流子的传输特性，为设备在光电子应用中的性能提升提供了重要支持。

在研究中，研究人员还探讨了WS?/BTO异质结构在不同极化状态下的光电响应。实验结果显示，BTO在不同的极化条件下表现出显著的电流变化，例如在正向极化（Up Poled）状态下，BTO的电流增加至约30 μA，而在负向极化（Down Poled）状态下，电流减少至约1.2 μA。相比之下，WS?/BTO异质结构在正向极化状态下表现出更高的电流（约1 mA），而在负向极化状态下电流降至约1 μA。这种显著的电流变化表明，极化状态对载流子传输具有重要的调控作用。此外，WS?/BTO设备在施加外部栅极偏压（V_gs = 2 V）后，表现出更优的电流响应，进一步验证了其在不同极化条件下的性能优势。

在光探测测试中，研究人员采用了一套完整的测量系统，包括隔离的测试室、Keithley 6485皮安计和LabVIEW数据采集系统。测试中，设备在不同的极化条件下（正向极化、负向极化和周期性双极三角极化）表现出不同的光电流响应。其中，周期性双极三角极化条件下的设备表现出最佳的光电流增强效果，光电流从0.1 μA提升至22.5 μA，增强了28倍。这一显著提升主要归因于WS?与BTO之间的协同作用，以及周期性极化对载流子动力学的调控。此外，研究人员还通过温度测试验证了设备的热稳定性，结果表明在40–80°C范围内，WS?/BTO异质结构的光电响应保持稳定，显示出其在实际应用中的可靠性。

通过对比其他研究中的光电探测器，WS?/BTO异质结构在多个关键性能指标上表现出色。例如，其在无外部偏压条件下实现的高响应率（38.5 A/W）远超传统基于二维材料的光电探测器。此外，设备在低功耗和非易失性操作方面的表现也优于其他材料体系。这些性能优势使得WS?/BTO异质结构成为一种有前景的材料组合，有望在下一代光电子设备中发挥重要作用。研究人员还强调，WS?的引入不仅提升了设备的响应能力，还优化了其在不同极化条件下的性能表现，为未来的可穿戴电子、环境监测和安全应用提供了新的可能性。

综上所述，该研究通过将WS?与BTO结合，成功开发了一种具有高灵敏度、低暗电流、快速响应和良好热稳定性的紫外光电晶体管。这一设备不仅克服了二维材料在吸收和偏压方面的局限性，还通过铁电场效应实现了非易失性、极化编程的光电响应。实验结果表明，WS?/BTO异质结构在性能上远超传统材料体系，为未来在低功耗、高灵敏度和可扩展性的光电子设备中提供了新的研究方向。这些发现不仅展示了材料科学在光电探测领域的最新进展，也为实现更高效的光电子器件提供了理论支持和技术路径。