“这种自组装氮化硼纳米片薄膜光电探测器，具有超低的暗电流和高探测率，对于真空紫外光具有稳定的响应，因此可用于空间微光探测。

此外，器件表现出的快响应速率，使其可用于高频、高速器件，从而在紫外光通讯及紫外单光子探测领域发挥作用。”对于自己和合作者研发的新器件，西安交通大学李强教授介绍了这一成果的两大应用前景。

图丨李强（来源：李强）

据介绍，当前，深紫外光电探测器对于大面积六方氮化硼（hBN，Hexagonal boron nitride）薄膜具有急切的需求。

然而，目前大面积六方氮化硼的制备需要在多项严苛的条件下进行。比如：

其一，许多生长过成需要在超高温、高压的环境下进行，这对设备的成本要求较高；

其二，需要特殊的生长气体，如氨气、三乙基硼烷等；

其三，需要在特殊的衬底上进行生长，通常为铜（Cu）、镍（Ni）等金属衬底，在进行器件制备前需要再将薄膜从金属衬底上剥离下来，剥离过程易对薄膜造成损伤，并且增加了后续器件制备的复杂性。

其四，制备六方氮化硼用到的氨硼烷等前驱体，通常价格昂贵、易燃、易挥发，增加了薄膜制备的成本。

因此，上述原因导致了大面积六方氮化硼薄膜的制备存在低效率、高成本的缺点，极大限制了六方氮化硼基深紫外光电探测器的发展。

所以，李强等人的研究目标是探索一种高效率、低成本制备六方氮化硼薄膜的方案，并能用于高性能深紫外光电探测器。

该团队注意到六方氮化硼是一种二维材料，与石墨烯的晶体结构类似，层与层之间通过较弱的范德华力来束缚。

值得一提的是，虽然六方氮化硼薄膜的制备比较困难，而六方氮化硼粉末晶体的工业合成却十分成熟，价格也比较低廉。

因此，课题组认为可以通过借助外力来打破六方氮化硼粉末晶体中弱的范德华力，从而获得少层的高质量六方氮化硼纳米片（BNNSs，hBN nanosheet）。

本着低成本与环保的原则，最终他们选择了水浴超声六方氮化硼水分散液的方式，来制备六方氮化硼纳米片。

经过充分的超声之后，他们对制备的样品进行了材料表征，证明六方氮化硼纳米片已成功地从六方氮化硼粉末中剥离，并展示出优异的单晶特性。

然而，超声辅助剥离制备的六方氮化硼纳米片尺寸过小，横向尺寸小于 1 微米，如果直接利用六方氮化硼纳米片制备光电探测器，将对光刻工艺的精度提出极高的要求。

此外，光电探测器目前正朝着大面阵探测阵列成像器件的方向发展，这种小尺寸的六方氮化硼纳米片无法进行更长远的应用。

为此，他们提出了通过自组装六方氮化硼纳米片的方法来制备大面积薄膜的路径。

自组装法是一种成熟的工艺，尤其对于二维材料来说，前者能使其形成有序排布的薄膜，更有利于高性能器件的制备。

最终，他们在水-正己烷的油-水界面处，将六方氮化硼纳米片组装成了薄膜，目前已经实现大面积薄膜的自组装，并成功转移至 2 英寸蓝宝石衬底上。

基于这种剥离-自组装法，该团队制备了基于单晶六方氮化硼纳米片的大面积薄膜，为六方氮化硼薄膜的获取途径提供了一条高效率、低成本的选择。

图丨六方氮化硼纳米片及自组装薄膜（来源：Advanced Functional Materials）

与连续生长的六方氮化硼薄膜不同的是，这种自组装薄膜是由六方氮化硼纳米片拼接而成的。每个六方氮化硼纳米片的表面由于晶界散射和表面态等原因，会形成表面空间电荷区。

该空间电荷区对电子是一个高阻区，六方氮化硼纳米片的能带在表面电荷区中从内向外弯曲。

两个相互接触的六方氮化硼纳米片的表面空间电荷区交叠，在接触界面处形成“结势垒”，电子在六方氮化硼纳米片之间传输时需要“跨过”结势垒。

因此，在自组装薄膜中结势垒主导了薄膜的电阻，而连续生长的薄膜的主要电阻来自于薄膜本身的体电阻，这是二者在电学性能上表现出的主要区别。

在自组装薄膜制备的光电探测器中，光照产生的光生载流子会在库仑力的作用下，迁移至六方氮化硼纳米片表面，从而削弱空间电荷区的强度、降低结势垒的高度，进而极大提升六方氮化硼纳米片薄膜的电导率。

这便是自组装六方氮化硼纳米片薄膜的主要工作机制：光诱导结势垒高度降低原理。

基于此，课题组提出了通过调控结势垒数量来调控器件电学性能的思路。

图丨不同尺寸纳米片拼接示意图（来源：Advanced Functional Materials）

在实验上，他们通过设计六方氮化硼纳米片的尺寸，实现对于结势垒数量的调控，单位面积内六方氮化硼纳米片尺寸越小，结势垒数量越多，制备的器件暗电流则越小。

基于这一想法，该团队实现了器件在 80V 电压下只有 270 飞安（fA，1 飞安=10-15 安培) 的超低暗电流。

图 | 不同尺寸六方氮化硼纳米片制备的光电探测器的电学特性（来源：Advanced Functional Materials）

李强表示：“还记得表征制备器件的光电响应特性的时候，博士生张启凡直接就用 185nm 的真空紫外光源照射样品进行验证。”

当时，张启凡只顾观测和记录表源数据的变化，根本就没注意到紫外光长时间照射对人体皮肤的伤害，结果是等一组数据测试结束才觉察到手臂皮肤通红干痒，也才猛然回过神来，意识到紫外光对人体皮肤的伤害。

随后，大家才开始吸取教训，将测试光源和样品置于暗箱中进行操作，来规避伤害。

而在论文投稿过程中，一位审稿人指出尽管光诱导结势垒高度降低这一工作机制能够定性地解释光照对器件电导率的影响，然而该效果如何定量的体现？

定量表征是一个极大的难题。由于自组装的薄膜结势垒的数量非常多，根本就难以进行具体分析，团队人员一筹莫展。

有一天，李强路过学校图书馆前的池塘，看见水面漂了很多落叶，一片树叶紧挨另一片树叶，平铺了整个很大的一块面积。

他觉得这就像他们的氮化硼纳米片，一片紧挨着一片，自组装成了薄膜。

这时候一阵风吹过，整个水面的“落叶薄膜”随水波上下浮动，时而叶片间隆起，时而又回落，就如“结势垒”增高和减小。

这让李强一下子就有了灵感：即可以采用整体的思想，将自组装薄膜看成一个整体，那么整个器件就是一般性的金属-半导体-金属（MSM，metal-semiconductor-metal）型结构。

而光照对氮化硼纳米片之间结势垒的降低，将会体现在 MSM 型器件总势垒高度的降低上。

基于该思路，课题组计算了光照前后器件的总势垒高度和总串联电阻的变化，为自组装薄膜电学性能在光照后的变化提供了定量分析的方案。

（来源：Advanced Functional Materials）

最终，相关论文以《大面积自组装六角氮化硼纳米膜用于超低暗电流真空-紫外光探测器》（Large-Area Self-Assembled Hexagonal Boron Nitride Nanosheet Films for Ultralow Dark Current Vacuum-Ultraviolet Photodetectors）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。

图丨相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

张启凡是第一作者，西安交通大学的李强教授和 Feng Yun教授、英国谢菲尔德大学 Tao Wang 教授、以及西安电子科技大学Yue Hao 教授担任共同通讯作者。

其中一位审稿人指出，尽管目前对同类器件的研究很多，但是本次论文首次针对此类器件具有超低暗电流的原因和器件的工作机制进行了详细的阐述。

后续，课题组一方面将基于这款大面积自组装薄膜去构筑面阵成像器件，另一方面则将制备柔性、甚至可穿戴的紫外探测器。

参考资料：

1.Zhang, Q., Li, Q., Chen, R., Zhang, M., Fang, W., Li, J., ... & Hao, Y. (2024). Large‐Area Self‐Assembled Hexagonal Boron Nitride Nanosheet Films for Ultralow Dark Current Vacuum‐Ultraviolet Photodetectors.Advanced Functional Materials, 2315149.

排版：刘雅坤

01/ 光电催化制氢领域迎新突破：科学家开发氧化亚铜薄膜制备新方法，将载流子迁移率提升1个数量级

02/ 科学家提出GenAINet框架，能让工业机器人互换经验，让AI网络成为综合智能体

03/ 产氨量再创新纪录，科学家将合成氨稳定时间提高30倍，300小时生成4.6克氨，可用于氢能储备

04/ 同时获得T细胞与B细胞克隆空间信息，科学家提出新型空间转录组学技术，或能预测免疫细胞作用机制

05/ 科学家提出脑疾早期评估新工具，只需安装5个传感器，就能实现新生儿不安运动数字化