简介
二维范德瓦尔斯型铁电材料的可切换性给纳米级光伏器件的发展带来了更多的可能性。在本文中，北京大学吕劲老师课题组基于 QuantumATK 中密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）耦合的方法，研究了单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光电探测器在不同铁电极化状态下的光电效应，通过计算表明。结果表明当铁电极化方向切换的时候， $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光电探测器在特定波长和偏振方向下，可以产生 $69.2~mA/W$ 的光电响应率和高达 $10^7%$ 的光电流开关比。
单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 材料特性研究
理论上， $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 具有两种铁电相（WZ’ 和 ZB’），作者对两种单层相的能带结构，铁电极化和光吸收系数进行了计算。其中 ZB’-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 铁电极化强度的计算结果（面内和面外计算极化强度分别为$3.58×10^{−2}$ 和 $7.53×10^{−3}~C/m^{2}$）和实验结果（分别是 $2.67×10^{−2}$ 和 $1.33×10^{−2}~C/m^2$）高度一致。计算结果表明单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 的光吸收系数可以在可见光范围内达到 $10^5~cm^{-1}$，比传统 Si 和 GaAs 型光伏材料的吸收系数大一个数量级。
$\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光探测器中浓度和尺寸依赖的光电响应
作者设计了一个基于单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 的 p-i-n 型光电探测器，研究了在掺杂浓度和中心区本征长度改变的情况下器件光电响应率的变化情况。
结果表明掺杂浓度和中心区本征长度对光电响应的影响并不是单调的，如对WZ’-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光探测器而言，最佳掺杂浓度和本征区长度分别是 $10^{20}~cm^{-3}$ 和 $8~nm$，而对于 ZB’ 相光探测器而言，最佳掺杂浓度和本征区长度分别为 $10^{20}~cm^{-3}$ 和 $6~nm$。
$\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$光探测器中铁电调控的光电响应
作者研究了在不同铁电极化下（分别定义为P态和AP态） $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光探测器的器件态密度，发现在不同的铁电极化态下，器件态密度会产生相应的变化。
计算结果表明，在 P 和 AP 态下，器件的光响应产生了偏振角度和波长依赖的铁电调控的切换。在特定的偏振度和波长下，器件最大的光响应率绝对值和相对变化率分别达到了 $53.6~mA/W$ 和 $10^{7}%$。
参考
- Fang, S.; Yang, C.; Li, Q.; Wu, B.; Xu, L.; Liu, S.; Yang, J.; Ma, J.; Dong, J.; Li, Y.; Yang, J.; Lu, J. Ferroelectric-Tunable Photoresponse in α-In2Se3 Photovoltaic Photodetectors: An Ab Initio Quantum Transport Study. Phys. Rev. Appl.2023, 19 (2), 024024. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.024024.