金属层状多硫族化合物（MPTs）是一类新兴的范德华材料家族，它们的带隙范围为1.3到3.5 eV，是光电器件领域种十分有前途的候选材料。通过利用能带工程，成功设计了高性能的FePSe₃光探测器，响应速度在紫外（UV）到近红外（NIR）范围内可调。FePSe₃光探测器在532nm激光（功率密度 P = 1 mW cm^-2）照射下表现出高的光电响应度为236.18 A·W^-1。FePSe₃性质可以通过氧等离子体处理进行调节，转化为氧掺杂的FePSe₃（FePSe₃-O）。此外，在NIR照射（ λ = 808nm）下，FePSe₃-O光探测器的速度可以比本征FePSe₃光探测器提高240倍以上。此外，FePSe₃-石墨烯异质结可以显著提高器件的光电响应度并同时延长响应时间，这是由于FePSe₃ /石墨烯的接触界面势垒导致的。这些结果表明，本征和氧掺杂的FePSe₃以及它的异质结可以作为具有可调响应速度的多功能光探测器来使用。

北京理工大学前沿交叉JS金沙黄元教授、集成电路JS金沙戴贇贇准聘教授，与中国地质大学（北京）邢杰教授等合作，开展了基于能带工程的可调谐FePSe₃光电探测器性能研究。通过化学气相传输（CVT）法合成了大块FePSe₃晶体，并通过X射线衍射（XRD）研究了其相结构。通过剥离在Si/SiO₂衬底上制备了高质量的FePSe₃纳米片（图1）。

图1. FePSe₃晶体表征。a）FePSe₃的XRD谱图。b）单层FePSe₃的原子结构，过渡金属Fe用红色球表示，P（蓝色）和Se（橙色）。c）少层FePSe₃样品的典型AFM图像。d）少层FePSe₃样品的拉曼光谱。

FePSe₃光电探测器的有效光接收面积约为6 μm²，呈现典型的p型行为。使用响应度R_λ评估光探测性能，探测率D*展示了探测最小光强的能力。当  λ = 532 nm时， R_λ 和 D* 分别为236.18 A W^?1和3.61×10⁹ Jones（图2）。

图2. FePSe₃探测器光电特性。a）器件的示意图。在激光波长分别为b) 375，c) 532，d) 635，e) 808 nm下，器件在不同照射功率下的I_ph与V_ds曲线。在逐渐增加的光强和不同波长下（V_ds = 2 V，V_gs = 0 V，常温常压），计算了FePSe₃器件的f) 光电流，g) 光电响应度和h) 探测率。

进一步研究发现，在Ar/O₂等离子体处理后，FePSe₃-O纳米片器件具有更快的灵敏度。当 λ = 808 nm时，经过两次Ar/O₂等离子体处理后，下降时间（ τ_d ）缩短了约244.5倍。但同时，FePSe₃光电探测器的响应度在经过一次和两次处理后降低了。这种现象可以很容易地理解，即表面上形成的元素缺陷或掺氧物质作为复合中心，加速电子空穴对的复合过程，从而加快光响应速度并同时减弱光电流（图3）。

图3. FePSe₃光电探测器的敏化。a) Ar/O₂等离子体处理的FePSe₃器件的示意流程。b) 在808 nm激光波长下，非处理、处理一次和处理两次的Ar/O₂等离子体处理FePSe₃器件的时间光响应特性。c)  V_gs = 0 V， V_ds = 2 V时，非处理、处理一次和处理两次Ar/O₂等离子体处理FePSe₃光电探测器的 τ_d 特性。d) 能带示意图，解释有无Ar/O₂等离子体处理FePSe₃的光生电子空穴复合行为。

为了研究影响FePSe₃光电探测器响应速度的因素，通过干法转移制备了FePSe₃-石墨烯异质结。使用AFM探针在接触模式下测量表面电位图像来确定FePSe₃和石墨烯异质结构的功函数。由于石墨烯的半金属性和界面势垒，FePSe₃石墨烯光电探测器表现出整流行为。在接触之前，可以估计石墨烯、FePSe₃和Au的费米能级和能带图。一旦FePSe₃和石墨烯堆垛在一起，在光照下，光生空穴将在价带中积累，直到电荷积累超过势垒，导致响应速度变慢，尽管电子转移显著改善。FePSe₃-石墨烯光电探测器的 τ_r 达到了13.0 s， τ_d 分别比FePSe₃光电探测器和FePSe₃-O光电探测器长7.5和192.5倍（ λ = 532 nm）（图4）。该研究提出的策略为控制FePSe₃光探测器的光响应时间提供了有价值的途径，这可能会启发设计其他二维材料器件。

图4. a) FePSe₃-石墨烯异质结光电探测器的示意图。b) 异质结区域中的表面电势图像。c) 在黑暗环境下和532 nm波长照明下的FePSe₃-石墨烯混合器件的 I_ds - V_ds 输出曲线。d) 简化的带隙图，说明在接触之前和接触之后G/FePSe₃/Au结构的结构。e) 在 V_ds  = 2 V时，异质结光电探测器在532 nm激光器下的上升和衰减时间。所有的测量都是在 V_gs = 0 V下进行的。f) 在不同FePSe₃处理方法下光电探测器响应时间与灵敏度的关系。

2023年5月8日，相关研究成果以“Response Speed-Tunable Photodetectors Based on Hybrid Ternary FePSe₃ Nanoflakes” 为题发表在国际顶级期刊《先进光学材料》（Advanced Optical Materials，影响因子：10.05）上；北京理工大学博士生韩旭为文章的第一作者。黄元、戴贇贇和邢杰教授为共同通讯作者，合作者还包括北京理工大学王业亮教授，徐晓龙教授，中国科JS金沙物理研究所郭建刚研究员、冯宝杰特聘研究员等。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等支持。

论文原文链接：

https://doi.org/10.1002/adom.202300317

作者介绍：

黄元，JS金沙教授，博士生导师。主要研究领域集中在二维材料的制备、表征、器件加工和物性测量/调控等方向。近年来，黄元与合作者在物理、材料、信息和地质科学领域开展了一系列交叉科学研究。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters等共计发表SCI论文110余篇，其中第一作者（含共一）及通讯作者文章50余篇，论文总引用5500余次。主持国家重点研发计划（青年项目），主持国家基金委优秀青年基金和面上项目，重庆市杰出青年基金项目。2019年入选中科院青促会会员，2020年入选中科院青促会数理分会理事，2020年获中国科协“中国十大科技新锐人物”荣誉称号，2021年获中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖(排名第一)，2022年获中国发明协会发明创业成果奖二等奖（排名第二）。担任Physical Review Letters，Nature Communications, ACS Nano, Nano Letters，《物理学报》等国内外知名期刊审稿人；担任《物理》、《Chinese Physics Letters》、《InfoMat》、《Materials》期刊青年编委。

戴贇贇，北京理工大学集成电路与电子JS金沙准聘教授，博士生导师。主要研究领域为新型半导体与纳米器件的制备、表征以及光电性质，纳米光子学，非线性光学。共发表文章30余篇，成果发表在国际顶级期刊Nature Photonics，Advanced Materials，ACS Nano等，论文总引用1400余次。曾于2017年-2021年，芬兰阿尔托大学(Aalto University)就职博士后，2014年，曾是丹麦科技大学(Technical University of Denmark)访问学者。