近日，哈尔滨工业大学与中国科学院半导体研究所的研究团队提出了在硅衬底上直接合成大面积Bi₂Te₃薄片，用于短波红外波段的光电探测及红外成像。通过氩气等离子体预处理去除污染物并激活表面，实现了在SiO₂/Si衬底上直接生长亚毫米级Bi₂Te₃薄片。基于Bi₂Te₃的场效应晶体管（FET）展现出1.4×10⁶的高开关比和107.4 cm² V⁻¹ s⁻¹的迁移率。Bi₂Te₃光电探测器在1550 nm处展现出5.21 A W⁻¹的响应度和7.52×10¹² Jones的探测率，在2275 nm处展现出0.26 A W⁻¹的响应度和2.74×10¹¹ Jones的探测率，同时具备出色的红外成像能力。这项研究不仅为优化二维材料在硅衬底上的集成提供了指导，还突显了二维Bi₂Te₃在红外光电探测和通信中的巨大潜力。这项研究以“Large-Area Bi2Te3 Flakes on Si-Based Substrates for Sensitive IR Imaging Photodetection at MWIR Optical Communication Wavelengths”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

      研究人员通过化学气相沉积（CVD）方法在经过氩气等离子体预处理的SiO₂/Si衬底上直接合成了大面积Bi₂Te₃薄片。预处理步骤有效去除了有机污染物并激活了惰性的非晶SiO₂表面，促进了Bi₂Te₃薄片的大尺寸生长。通过精确控制预处理时间和生长条件，Bi₂Te₃薄片的最大横向尺寸达到了0.16毫米。图1展示了Bi₂Te₃薄片的结构及表征，图2展示了在SiO₂/Si衬底上生长的Bi₂Te₃薄片的表征。

       接着，研究人员利用直接在硅基衬底上集成的优势，通过电子束光刻（EBL）原位制备了背栅二维Bi₂Te₃场效应晶体管（FET），沉积在 Cr/Au（10/50 nm）上使其作为源极和漏极，并对其电学性能进行了评估，相关结果如图3所示。

      为了研究合成的Bi₂Te₃薄片的红外光电探测性能，研究人员原位制备了基于Bi₂Te₃薄片的金属-半导体-金属光电探测器，并在1550 nm的激光照射下进行光电测量，相关结果如图4所示。结果显示，Bi₂Te₃光探测器展现出高开关比、高响应度和高探测率。

      为了证明Bi₂Te₃光电探测器对其他红外通信波长的探测能力，研究人员采用1550-2275 nm波段的激光照射来测试该光电探测器的光电性能，相关结果如图5所示。结果显示，Bi₂Te₃光电探测器在2275 nm处展现出0.26 A W⁻¹的响应度和2.74×10¹¹ Jones的探测率；并通过图5d的能带结构示意图解释了该探测器在弱光下的优异光电探测性能。

       最后，研究人员基于Bi₂Te₃光电探测器进行了红外成像，相关实验设置及成像结果如图6所示。结果显示，Bi₂Te₃光电探测器在红外光通信频段表现出高度稳定的光探测和出色的成像能力。

       综上所述，这项研究通过化学气相沉积（CVD）方法在经过氩气等离子体预处理的SiO₂/Si衬底上直接合成了大面积Bi₂Te₃薄片，实现了与硅基衬底的直接集成。Bi₂Te₃光电探测器在1550 nm和2275 nm处展现出高响应度和高探测率，同时具备出色的红外成像能力。Bi₂Te₃光电探测器在低温下展现出更高的性能，这归因于低温下电子-声子散射的减弱。这项研究不仅为优化二维材料在硅基衬底上的集成提供了指导，还突显了二维Bi₂Te₃在红外光电探测和通信中的巨大应用潜力。