2024-05-20 08:31
柔性短波红外探测器主要用于心率监测、血氧监测及生物医学成像等领域，应具有出色的探测能力及优异的抗形变、抗疲劳性能。因此，用于柔性探测的短波红外材料应具有低弹性模量、高断裂应变等基本性质。传统的短波红外探测材料难以应用于柔性器件，其主要原因如下：（1）通常使用高温生长的单晶或外延薄膜制造探测器，工艺与柔性基底（熔点较低）不兼容；（2）传统短波红外材料通常为3D刚性晶格的纤锌矿或闪锌矿晶体，具有较大的弹性模量和较小的形变容忍极限。
碲（Te）和碲硒（Te–Se）合金具有制备温度低（与柔性衬底兼容）、迁移率高、带隙可调、吸收系数高、毒性低及稳定性好等优点；此外，Te–Se合金材料体系具有类似于有机聚合物的1D晶体结构，是柔性红外探测器的理想选择。
华中科技大学唐江团队的陈超等人基于密度泛函理论计算了Te的力学性质，计算结果表明Te具有低弹性模量（~51 GPa）及高断裂应变（~30%）。Te0.7Se0.3合金（带隙约0.7 eV）与Te晶体结构相似，力学性质相近，适合用于柔性短波红外探测。在此基础上，本研究通过调整探测器内的中性轴（NA）位置，设计了理论形变容忍极限可达0.1 mm的柔性Te0.7Se0.3合金探测器。柔性Te0.7Se0.3合金探测器的响应波段为365~1650 nm，响应速度为6 μs，线偏压条件下的比探测率可达4.8×1010 Jones。柔性Te0.7Se0.3合金探测器具有出色的抗疲劳性能及形变容忍极限，在以3 mm的曲率半径弯折后，探测器的响应度为初始值的93%。此外，柔性Te0.7Se0.3合金探测器的热稳定性及水氧稳定性优异。以85 ℃烘烤106小时后，探测器的响应度下降小于5%；在浸泡在水中24小时后，探测器的性能损失基本可忽略不计。柔性Te0.7Se0.3合金探测器还可用于短波红外成像，可透过硅片观察到硅片后面的物体。以上结果说明柔性Te0.7Se0.3合金探测器在可穿戴设备、生物医学成像等方面具有潜在的应用前景。
图1. 柔性Te0.7Se0.3合金探测器结构设计。(a) Te的晶体结构。(b-c) Te沿[001]和[110]方向的应力–应变曲线合金探测器的NA位置示意图。(e) NA的位置随聚酰亚胺（PI）衬底厚度的变化。(f) Te0.7Se0.3合金探测器各膜层的应变随弯折曲率半径的变化。
图2. 柔性Te0.7Se0.3合金探测器性能表征。(a-b) 柔性Te0.7Se0.3合金探测器的截面图和能带图。(c) 柔性Te0.7Se0.3合金探测器在黑暗条件及光照条件下的电流密度–电压曲线。(d-f) 柔性Te0.7Se0.3合金探测器的线性动态范围、响应时间和–3 dB带宽。(g-i) 柔性Te0.7Se0.3合金探测器的噪声功率密度谱、响应度、EQE及比探测率光谱。
图4. 柔性Te0.7Se0.3合金探测器的稳定性及短波红外成像应用。(a) -5 mV偏压下，Te0.7Se0.3合金探测器的电流–时间曲线合金探测器暗电流及光响应的影响。(d) 扫描成像系统示意图。(e) 有镂空字符串“HU”的金属掩膜版的可见光图像。(f-g) 被硅片部分覆盖的带有镂空字符串“ST”的金属掩模的可见光图像及1300 nm短波红外图像。(h) 与 (e) 对应的1550 nm短波红外图像。
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