2D MXene Electrode-Enabled High-Performance Broadband Photodetector Based on a CVD-Grown 2D Bi2Se3 Ultrathin Film on Silicon

响应度 材料科学 光电探测器 光电子学 异质结 化学气相沉积 比探测率 基质(水族馆) 吸收(声学) 电极 光学 物理 地质学 复合材料 海洋学 量子力学
作者
Sanju Nandi,Koushik Ghosh,M. Meyyappan,P. K. Giri
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (12): 6985-6995 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsaelm.3c01363
摘要

Topological insulators, such as Bi2Se3, show great promise in the quest for materials with exceptional optoelectronic capabilities in the visible to mid-infrared range due to their unique Dirac-like surface states with a small bulk band gap and broadband light absorption. Here, we report a low-temperature chemical vapor deposition (CVD) of a highly crystalline Bi2Se3 ultrathin film on a Si substrate, and the Si/Bi2Se3 heterojunction shows a very broadband absorption in the range of 300–2000 nm. A Si/Bi2Se3 heterostructure photodetector with two-dimensional MXene electrodes was constructed for the first time. The MXene electrode-enabled photodetector exhibits a truly broadband light detection in the range of 300–1550 nm and a very fast response of a few microseconds (rise time of 19.7 μs and fall time of 35.2 μs). The device demonstrates a high responsivity of 6.96 A/W, a high detectivity of 6.31 × 1012 Jones, a large linear dynamic range of 92.93 dB, and an excellent on/off ratio of 1.9 × 104 at 808 nm. It also exhibits self-biased (0 V) photodetection with a reasonably high responsivity of 24.7 mA/W and excellent detectivity of 4.16 × 1011 Jones under illumination. The highest responsivity and detectivity of the device are found to be 7.56 A/W and 6.85 × 1012 Jones, respectively, at 980 nm. The exceptional crystallinity of the Bi2Se3 film characterized by superior crystal quality and low defect density at the Si/Bi2Se3 interface, along with the presence of a strong built-in electric field, contributes to the observed superior performance of the heterojunction photodetectors. Additionally, the synthesis and functionalization of Ti3C2Tx MXene allow for the preparation of high-quality electrodes by a simple spin-casting process at a low cost. The van der Waals MXene–Bi2Se3 interface effectively reduces the dark current and enhances the collection of photon-excited carriers due to the low density of chemical disorders and negligible defects.
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