摘要：近日，清华大学张如范教授团队在高性能碳纳米管光电探测器方面取得又一突破。本工作设计了一种基于悬空超长碳纳米管-二硫化钼异质结网络（s-UCNTBs-MoS₂）的光电探测器，其综合性能优于多数已报道的碳基光电器件。该论文以「High-Performance Ph
近日，清华大学张如范教授团队在高性能碳纳米管光电探测器方面取得又一突破。本工作设计了一种基于悬空超长碳纳米管-二硫化钼异质结网络（s-UCNTBs-MoS₂）的光电探测器，其综合性能优于多数已报道的碳基光电器件。该论文以「High-Performance Photodetectors Based on Suspended Ultralong CNTs-MoS₂ Heterojunction Networks」为题发表在最新一期的Advanced Functional Materials期刊上。论文共同第一作者为本课题组博士后王康康和直博生汪菲。
研究背景
光电探测器可以将吸收的光信号转换为电信号，在环境监测、军事侦察、医学成像、网络通信等领域应用广泛。高性能光电探测器应具有高响应度、高探测率、超快响应和高稳定性等特征。近二十年来，以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二卤化物和单元素（IV-VI族）为代表的二维材料在光电器件构建方面展示出了优异的光电性能。然而，基于单元素材料的光电探测器由于其光吸收弱和载流子寿命短，整体性能欠佳。尽管二维材料可以通过改变横向尺寸和厚度调控能带进而匹配特定波段的光响应，但调制范围有限。以碳纳米管为代表的一维材料因其优异的力学、电学、热学和光学等性能，在碳基集成电路、场致发射、柔性可穿戴设备等领域有着广阔的应用前景。然而，本征碳纳米管的光激发是以电子-空穴对的激子形式激发，且有很强的束缚能（约0.4 eV）。因此，要想在纯碳纳米管中实现光电导型的光电响应，往往需要施加很大的偏置电压才能将激子解离。将碳纳米管与其他材料复合构建异质结界面是提高其电子-空穴对分离效率的一种实用策略，这种一维范德华异质结构可以由曲率和直径的限制及壳层材料的协同效应获得独特的物理性质。
之前报道的关于碳纳米管的光电器件多是基于基底上的碳纳米管。由于碳纳米管具有较高的热导率，其载流子迁移率和光电导响应通常会被来自基底的表面极化声子等作用降低。相反，不与基底接触的悬空结构可以有效地避免将测辐射热效应、光电导效应和光热电效应等带来的热量传导给基底，进而减小器件的电流波动和门磁滞回等。基于悬空碳纳米管薄膜、管束和阵列的光电探测器通常比基于单根碳纳米管的器件具有更大的光辐照面积和更高的能量利用效率，趋于获得更高的响应度和探测率。超长碳纳米管具有巨大的长径比，可以减少在器件构筑时短碳纳米管单体的使用量和降低结电阻的影响，趋于构建高导电率网络和高性能电子器件。
研究内容
基于s-UCNTBs-MoS₂的光电探测器在结构设计上具有以下优势：（1）分布在孔洞上方的毫米级s-UCNTBs-MoS₂网络可以极大程度上避免基底声子散射的影响；（2）s-UCNTBs-MoS₂网络-空气界面处（悬空）的超高传热系数和较大的网络表面积保证了器件的快速散热以获得较快的响应速度；（3）s-UCNTBs-MoS₂异质结界面处的内建电场可以有效促进光生电子/空穴对的传输和分离，从而提高探测器的性能。
图文解读
如图1所示，我们首先基于「基底拦截导向」策略制备了毫米级的悬空碳纳米管网络。开发了在高致密、悬空碳纳米管管束（s-UCNTBs）网络表面原位生长MoS₂薄层的策略，实现了s-UCNTBs的表面功能化，得到了核壳结构的大面积s-UCNTBs-MoS₂异质结网络。文中还对基于s-UCNTBs-MoS₂的一维悬空范德华异质结构的生长机制进行了分析。
图1 | s-UCNTBs-MoS₂异质结网络的制备示意图和结构。
随后，结合Raman, SEM, EDS, TEM, HRTEM, HAADF-STEM等多种表征技术对s-UCNTBs-MoS₂异质结网络的微观形貌进行了系统表征。悬空超长碳纳米管本身无缺陷、洁净、少壁的结构有利于该体系在宽波长范围下的光吸收。基于上述策略，我们实现了MoS₂薄层在悬空碳纳米管网络表面的均匀包裹，并验证了其高质量的本征特性。
图2 | s-UCNTBs和s-UCNTBs-MoS₂异质结网络的表征。
与我们先前报道的纯悬空碳纳米管的光电探测器（ACS Nano, 2024, 18 (36), 25249-25256）相比，s-UCNTBs-MoS₂光电探测器的整体性能（响应速度、响应度、探测率）提高了近2个数量级。如图3所示，s-UCNTBs-MoS₂网络与电极之间形成了良好的欧姆接触，在可见区（405 ~ 650 nm）尤其是650 nm波长下表现出了出色的光探测和定量分析能力。该探测器在不同开关频率和不同波长下均表现出了超快的响应速度，响应和衰减时间分别为0.03和0.04 ms。此外，该探测器还表现出了良好的结构和性能稳定性，于大气环境下放置超200天后仍能保持与初始光电流值相当的水平（衰减仅3%）。
图3 | s-UCNTBs-MoS₂光电探测器在可见光波段的光电性能。
图3c显示s-UCNTBs-MoS₂光电探测器在850 nm附近有一定的光响应。因此，进一步探索了该探测器在更长波长下的光探测潜力。如图4所示，探测器在1064 nm辐照下仍表现出明显的光响应行为，表明其在近红外波段的光敏行为。综合来看，基于s-UCNTBs-MoS₂的光电探测器表现出了优异的光电性能：超快响应（0.03 ms）、高响应度（8.51 A W⁻¹）、高探测率（3.74 × 10¹¹ cm Hz½W⁻¹）、宽响应范围（405–1064 nm）和高稳定性（＞200天），综合性能显著优于修饰前的体系（纯悬空碳纳米管网络）和多数已报道的碳基光电器件。
图4 | s-UCNTBs-MoS₂光电探测器在近红外波段的光电性能及综合性能评价。
最后，我们结合拉曼光谱分析了s-UCNTBs-MoS₂光电探测器的传感机制。如图5所示，首先，s-UCNTBs-MoS₂网络-空气界面处（悬空）的超高传热系数和较大的网络表面积可以保证器件在测试过程中的快速散热以获得超快响应。其次，MoS₂层与碳纳米管表面的结合增强了s-UCNTBs-MoS₂异质结界面处的电子转移。同时，异质结界面处的内建电场可以有效促进光生电子/空穴对的传输和分离，从而提高探测器的整体性能。
图5 | s-UCNTBs-MoS₂光电探测器的光电传感机制。
结论展望
本工作设计了一种可控的策略，直接在悬空超长碳纳米管网络表面生长MoS₂薄层以构建s-UCNTBs-MoS₂异质结网络。s-UCNTBs-MoS₂网络独特的悬空结构可作为高性能可见-近红外光电探测器的构建，整体性能优于多数已报道的碳基光电器件。该工作为通过结构设计构建高性能碳纳米管器件提供了一种有效的方法，并为一维范德华异质结和超长碳纳米管在更多前沿领域的应用提供了新的思路。
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来源：Future远见
