晶体取向工程助力高性能In2 S3 光电探测器及其多功能应用研究

本研究针对传统光电探测器材料环境不友好、性能受限等问题，通过脉冲激光沉积(PLD)技术制备(103)晶向的In2 S3 纳米薄膜，实现19.8 A/W响应度、3869%外量子效率(EQE)和2.59×1012 Jones探测率，结合第一性原理计算揭示载流子传输机制，在高温成像和心率监测等应用场景展现突破性进展。

　　

在光电探测技术领域，传统材料如硅、锑化镉等面临环境毒性、窄带响应和高温性能衰退等瓶颈问题。随着物联网和智能传感的快速发展，开发兼具高灵敏度、宽光谱响应和环境稳定性的新型光电探测器成为迫切需求。针对这一挑战，中山大学的研究团队创新性地采用晶体取向调控策略，通过脉冲激光沉积技术制备出高性能In₂
S₃
纳米薄膜器件，相关成果发表在《Nano Materials Science》上。

研究团队主要运用脉冲激光沉积(PLD)薄膜生长、X射线衍射(XRD)晶体结构分析、第一性原理计算、光电性能测试系统等关键技术，系统研究了(103)晶向In₂
S₃
的制备工艺与性能关系。

【结果与讨论】

1. 材料制备与表征
   通过优化PLD工艺参数（500°C基底温度），成功制备出高度(103)取向的In₂
   S₃
   纳米薄膜。XRD显示其(103)晶面衍射峰半高宽仅为0.12°，原子力显微镜(AFM)测得表面粗糙度低至2.05 nm，72.1 nm厚度薄膜呈现三角形纳米片组成的致密结构。

2. 光电性能突破
   器件在370.6-1064 nm宽带范围内表现出优异响应特性：635 nm光照下获得19.8 A/W响应度（相当于3869% EQE），探测率达2.59×10¹²
   Jones，响应速度达3.9/3.0 ms（上升/衰减时间）。第一性原理计算揭示(103)晶面空穴有效质量仅为(100)晶面的21%，显著提升了载流子迁移率。

3. 高温稳定性机制
   2.21 eV的宽禁带特性使器件在373 K高温下仍保持稳定工作，10小时连续加热后光电流提升24.6倍。X射线光电子能谱(XPS)证实氧原子对硫空位的自钝化作用，解释了其优异的空气稳定性（125天性能无衰减）。

4. 应用验证
   成功实现三项创新应用：(1)1064 nm激光穿透GaAs基板完成"隐形"成像，突破人类视觉限制；(2)373 K高温环境下清晰重构"SYSU"图案；(3)基于808 nm光源的心率监测系统，测得86次/分钟的准确数据。

该研究开创了晶体取向工程调控光电性能的新范式，(103)晶向In₂
S₃
纳米薄膜的综合性能超越多数PLD制备的二维材料探测器（如WS₂
、MoS₂
等）。其宽禁带特性与自钝化机制为发展极端环境光电传感器提供了新材料体系，在工业检测、航天探测和可穿戴医疗等领域具有重要应用前景。研究揭示的晶面依赖载流子传输规律，也为其他半导体材料的性能优化提供了普适性指导。