自从2D Bi2O2Se材料合成报道以来，研究发现该材料不同于传统的范德华2D层状结构，因为其层通过相对较弱的静电力保持在一起。重要的是，通过化学气相沉积（CVD）方法制备2D Bi2O2Se纳米片显示出>20000 cm2V−1s−1的超高霍尔迁移率值和约0.8 ev的带隙能量，由于量子限制效应，其强烈依赖于膜厚度。这导致了相关研究工作者对二维氧氯铋（Bi2O2X:X=S，Se，Te）族的研究兴趣的增加。然而，迄今为止，很少研究2D Bi2O2Te，它是Bi2O2Se的表亲材料，由具有I4/mmm空间群（a=3.98Å，c=12.70Å）的四方结构组成，其中平面共价键合氧化物层（Bi2O2）夹在具有相对弱静电相互作用的Te方形阵列之间（如下图）。由于Te元素的活性特性，通过CVD方法制备2D Bi2O2Te材料仍然是一个挑战，因此在生长过程中需要Bi前驱体和Te源的蒸发温度的巨大差异。Te和Se的不同电负性很可能赋予Bi2O2Te比Bi2O2Se更高的迁移率和更宽的吸收光谱。此外，Te的易氧化性将允许2D Bi2O2Te材料在制备介电层期间在低得多的温度下氧化。这种低温工艺对于2D氧氯铋在微电子领域的广泛应用至关重要。
拉曼在二维材料Bi2O2Te光电探测器的应用
引言：
自从2D Bi2O2Se材料合成报道以来，研究发现该材料不同于传统的范德华2D层状结构，因为其层通过相对较弱的静电力保持在一起。重要的是，通过化学气相沉积（CVD）方法制备2D Bi2O2Se纳米片显示出>20000 cm2V−1s−1的超高霍尔迁移率值和约0.8 ev的带隙能量，由于量子限制效应，其强烈依赖于膜厚度。这导致了相关研究工作者对二维氧氯铋（Bi2O2X:X=S，Se，Te）族的研究兴趣的增加。然而，迄今为止，很少研究2D Bi2O2Te，它是Bi2O2Se的表亲材料，由具有I4/mmm空间群（a=3.98Å，c=12.70Å）的四方结构组成，其中平面共价键合氧化物层（Bi2O2）夹在具有相对弱静电相互作用的Te方形阵列之间（如下图）。由于Te元素的活性特性，通过CVD方法制备2D Bi2O2Te材料仍然是一个挑战，因此在生长过程中需要Bi前驱体和Te源的蒸发温度的巨大差异。Te和Se的不同电负性很可能赋予Bi2O2Te比Bi2O2Se更高的迁移率和更宽的吸收光谱。此外，Te的易氧化性将允许2D Bi2O2Te材料在制备介电层期间在低得多的温度下氧化。这种低温工艺对于2D氧氯铋在微电子领域的广泛应用至关重要。
图1.块状Bi2O2Te的晶体结构和能带结构
实验分析：虽然大多数2D材料是使用CVD方法合成的，但昆明物理所唐利宾课题组使用的是磁控溅射和快速热退火在空气气氛下通过从Bi2Te3过渡到Bi2O2Te在低温下制备新型2D Bi2O2T材料。该技术被称为快速退火相变（RAPT）方法。（如图2）
图2.RATP法制备二维Bi2O2Te的生长机理
在这项工作中，通过RAPT方法制备了具有优异质量的大面积2D Bi2O2Te。现今人们对将2D材料与互补金属氧化物半导体cmos集成非常感兴趣。然而，CVD生长所需的高温和在晶片尺度上2D材料的层转移的困难阻碍了2D材料在CMOS上的直接集成。相反，低温生长方法可以在CMOS平台上直接生长2D材料，大大的简化两种材料集成的过程。在这项工作中，基于400℃生长的2D Bi2O2Te制备并表征了光电探测器。它响应于210 nm和2.4μm之间的宽波长范围，具有高达3×105和2×104 AW-1的高响应度，对紫外（UV）和短波红外（SWIR）的检测率分别为4×1015和2×1014 Jones，这在微弱光检测中极为敏感。尽管已经报道了各种基于2D材料的光电探测器，但2D材料在检测弱光方面的能力仍然欠缺。通过分析光电流的贡献，弱光检测能力可能归因于Bi2O2Te膜中产生的载流子的高分离效率。
图3.Bi2Te3和Bi2O2Te的拉曼光谱
在制备过程中，从Bi2Te3到Bi2O2Te的转变也可以在拉曼光谱上观察到，如上图所示。Bi2Te3的经典拉曼位移显示在图的下部显示了在62.7、93.4、124.1和140.3 cm-1处的四个拉曼峰，对应于Bi2Te3的A11g，E2g，A1u和A21g ，与Bi2Te3相比，图3上部的拉曼光谱在较高波数处显示了几个新的峰值，例如300.7 cm-1（B1g）和433.6 cm-1(E2g），都是Bi2O2Te的特征峰值，而在低波数处的那些峰值已经变得模糊。表明通过这种低温工艺，可以有效的将Bi2Te3转化为Bi2O2Te。
以上结果表明，通过这种低温快递退火相变方法（RAPT），可以在低温下大面积合成Bi2O2Te，并且允许与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术直接大规模集成。本文的研究成果为制备二维光电探测器在材料选择上提供了更多的可能性。
昆明物理研究所唐利斌简介：男，博士，正gao级工程师，1978年生，云南瑞丽出生，籍贯云南龙陵。在昆明物理研究所工作，从事光电材料与器件的研究工作。中国物理学会终身会员，中国化学会永久会员，中国材料学会终身会员，中国微米纳米材料研究学会gao级会员，国际期刊《Recent Patents on Corrosion Science 》期刊编委，云南省技术创新人才培养对象，云南省有机光电显示技术省创新团队核心成员、昆明市有机光电显示科技创新团队核心成员，唐利斌博士主持或参与过十余个科研项目的研究，主要从事材料、物理、化学等交叉学科研究，近年来唐利斌博士及其合作者在《ACS Nano》、《Journal of Materials Chemistry》、《Journal of Materials Chemistry C》、《Applied Physics Letters》、《Materials Chemistry & Physics》、《Applied Surface Science》、《Journal of Materials Science》、《Surface & Coatings Technology》、《Corrosion Science》、《Journal of Colloid and Interface Science》、《Materials Letters》、《Journal of Rare Earths》等国内外期刊发表100余篇学术论文, 其中多篇被SCI、EI收录，SCI论文被引用近600次，单篇SCI论文引用次数为137次。
文章信息：该成果以“Ultrasensitive broadband photodetectors based on two-dimensional Bi2O2Te films”为题发表在知名期刊JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY C 上，昆明物理研究所田平博士为第1作者，唐利斌为通讯作者。
本研究采用的是Nanobase的XperRam Compact共聚焦显微拉曼光谱仪系统。
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