近日，吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉冰冰教授、李全軍教授團(tuán)隊(duì)與北京航空航天大學(xué)杜軼教授合作，在功能材料光電特性的壓力調(diào)控方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究以“Synchronous pressure-induced enhancement in the photoresponsivity and response speed of BiOBr”為題，發(fā)表于《材料學(xué)報(bào)》(Acta Materialia 263 (2024) 119529)。

       光電探測(cè)器可以將光信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在光電顯示、目標(biāo)跟蹤、光譜分析、光通信和安檢等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。下一代光電探測(cè)器目前正朝著室溫工作、超高響應(yīng)度、高靈敏度、快速響應(yīng)和寬帶方向發(fā)展。基于層狀半導(dǎo)體的光電探測(cè)器雖然表現(xiàn)出了超高的性能，但其整體性能還不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。例如，石墨烯基探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間非常快，約為50ps；然而，它們的響應(yīng)度相對(duì)較低，范圍從5到10×10?9A/W。相比之下，MoS2基光探測(cè)器具有30A/W的高響應(yīng)度，但其響應(yīng)速度有限，通常在10到100s之間。一般通過(guò)光導(dǎo)效應(yīng)獲得顯著的光增益通常是以犧牲響應(yīng)速度為代價(jià)的。因此，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和快速檢測(cè)，這是滿足光電子行業(yè)需求的關(guān)鍵。

       在該研究中，劉冰冰教授研究團(tuán)隊(duì)對(duì)一種具有[Bi2O2]2+基的新型層狀半導(dǎo)體BiOBr進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)其在高壓下呈現(xiàn)出異常的電子結(jié)構(gòu)變化并在壓力下展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性質(zhì)。通過(guò)施加壓力成功的實(shí)現(xiàn)了BiOBr光響應(yīng)度和響應(yīng)速度的同步提高。在約3.8GPa壓力下，BiOBr的光響應(yīng)度和響應(yīng)速度均有近一個(gè)數(shù)量級(jí)的顯著提升。理論計(jì)算表明，其在壓力下優(yōu)異的光電性質(zhì)源于壓力有效的降低了載流子的有效質(zhì)量，并促進(jìn)了Bi-O間的電荷轉(zhuǎn)移。這是首次在光電功能材料中通過(guò)壓力實(shí)現(xiàn)響應(yīng)度和響應(yīng)速度的同步提升。該研究提出利用壓力全面提升功能材料的光電響應(yīng)特性的新思路，擴(kuò)展了光電性質(zhì)的調(diào)控手段，并為 設(shè)計(jì)高增益、快速響應(yīng)的光電探測(cè)器提供了新的見(jiàn)解。

圖1. BiOBr的光響應(yīng)度和響應(yīng)時(shí)間的壓力依賴(lài)性

圖2. BiOBr在壓力下對(duì)頻率為1Hz，10Hz和100Hz的405nm脈沖激光的瞬態(tài)光響應(yīng)。

       吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生岳磊、田夫波教授和北京航空航天大學(xué)崔丹丹講師為論文共同第一作者，通訊作者為吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉冰冰教授、李全軍教授和北京航空航天大學(xué)杜軼教授。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助支持。

       論文全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119529