研究背景

  在材料科学的广阔领域中，二维非层状材料（NLMs）因其独特的表面结构和光明的应用前景而备受关注。这些材料拥有丰富的表面悬挂键和高度活性的表面，能够促进电荷载流子的快速传输和分离，从而提高电荷载流子的迁移率和电导率。然而，由于NLMs固有的各向同性共价键，直接合成超薄和大面积的2D NLMs仍然是一个巨大的挑战。在这一背景下，研究人员面临着平衡NLMs的超薄厚度和广阔晶体尺寸的挑战，这对于探索性能和器件集成具有重要意义。因此，开发一种新的增长方法以促进NLMs的减薄，从而获得超薄和大尺寸的NLMs变得至关重要。

成果简介

  在这项研究中，研究人员开发了一种表面辅助钝化生长策略，通过使用Bi₂Se₃作为辅助剂来引导2D超薄β-Bi₂O₃晶体的生长。合成的β-Bi₂O₃片层具有最小的厚度仅为0.77纳米，且大部分生产的β-Bi₂O₃片层厚度小于5纳米。此外，β-Bi₂O₃单晶的横向尺寸可以扩展到163微米。实验和理论计算证实了生长机制，归因于Se原子与β-Bi₂O₃表面不饱和Bi原子之间的键合，导致表面钝化，促进了超薄β-Bi₂O₃的获得。令人印象深刻的是，基于β-Bi₂O₃片层的光电探测器展现出卓越的性能，包括高响应度71.91 A·W⁻¹，出色的探测度6.09 × 10¹³ Jones，以及在365纳米处显著的外部量子效率（EQE）2.4 × 10⁴ %。此外，利用极化拉曼光谱，研究人员研究了β-Bi₂O₃片层的振动各向异性，并开发了极化敏感光电探测器，展现出接近2的线性二色比率和出色的紫外线成像能力。这些卓越性能使β-Bi₂O₃成为先进多功能光电子应用的候选材料。这项工作为2D超薄NLMs的合成引入了新途径，并为相应的性能和应用研究奠定了基础。

图文导读

图1：通过表面辅助钝化生长策略控制合成2D超薄β-Bi₂O₃片层。展示了β-Bi₂O₃的两种生长路径，以及不同路径下β-Bi₂O₃的原子结构模型、光学显微镜图像、AFM图像和厚度分布统计。

图2：2D超薄β-Bi₂O₃的表征。展示了β-Bi₂O₃的拉曼光谱分析、XRD图案、XPS光谱、SHG测试示意图、不同激发波长下的SHG光谱、不同激光功率下的SHG光谱、SHG强度与激光功率的关系以及SHG映射。

图3：2D超薄β-Bi₂O₃的原子结构和生长机制。展示了高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像、原子排列放大图像、强度线轮廓、选区电子衍射（SAED）图案、EDS映射图像和HRTEM图像。

图4：基于2D β-Bi₂O₃片层的光电探测器的光电子性能。展示了β-Bi₂O₃基光电探测器的示意图、操作机制、不同波长下的光电流-电压（I-V）特性、365纳米光照射下的I-V曲线、光强度依赖的响应度和EQE、噪声谱、光强度依赖的探测度和光电流-时间曲线。

图5：β-Bi₂O₃片层的各向异性振动和各向异性光响应。展示了极化拉曼光谱的瀑布图、极化拉曼光谱的等高线图、拉曼峰强度的极坐标图、β-Bi₂O₃基极化敏感光电探测器的示意图、电流-时间曲线、极化角变化下的I-V曲线、极化依赖的光电流和响应度的极坐标图。

图6：基于β-Bi₂O₃光电探测器的极化成像应用。展示了极化传感原理的示意图、不同极化角下的像素分布直方图、通过成像系统从不同角度获得的极化成像图片、极化成像系统器件的示意图、在紫外线和可见光照射下不同极化角下的“TJU”掩模版的成像轮廓图。

小结

  研究人员通过表面辅助钝化生长策略成功合成了非层状β-Bi₂O₃晶体，这一策略有效地钝化了材料表面，并促进了2D超薄β-Bi₂O₃的获得。合成的β-Bi₂O₃晶体具有仅0.77纳米的惊人薄度和高达163微米的横向尺寸。此外，基于β-Bi₂O₃的光电探测器展现出了卓越的性能，包括高响应度、优秀的探测度和显著的外部量子效率。通过极化拉曼光谱研究，研究人员还开发了极化敏感光电探测器，并展现出了出色的紫外线极化成像能力。这项研究不仅为制造2D超薄和大面积NLMs提供了新的机会，而且为下一代多功能光电子器件的探索奠定了基础。

来源：材料研究进展公众号