近期，中科院合肥研究院固體所科研人員在可見-近紅外光電探測研究方面取得進展，獲得了光控增强和熱電子光電流快速穩定的Au/TiO2全光輸入電晶體。相關結果以“All-Optical-Input Transistors with Light-Controlled Enhancement and Fast Stabilization of Hot-Electron Photocurrent”為題發表在Journal of Physical and Chemistry C（J. Phys. Chem. C.，125,3418887（2021））上。
固體所科研人員提出了一種新型的電晶體：多孔的Ag/TiO2全光輸入電晶體。與傳統的光電電晶體利用電驅動來控制光電流不同，該電晶體採用一束紫外光來調控由近紅外光照射而激發的熱電子光電流。通過控制紫外光的功率密度，使近紅外光產生的電信號提高數倍至百倍（Adv. Funct. Mater.，28,40，1802288（2018））。但當紫外光打開或關閉時，電晶體的光電流增强和恢復過程極其緩慢，需要近十分鐘才能穩定，且電晶體的制造技術複雜、重複性差，限制了全光輸入電晶體的應用。
基於此，團隊科研人員採用簡單的溶膠凝膠法製備了緻密的TiO2薄膜並構築了Au/TiO2全光輸入電晶體（圖1a插圖）。該電晶體引入紫外光PG來調節近紅外光PS激發的熱電子光電流（圖1a）。通過採用不同功率密度的紫外光對紅外光產生的熱電子電流進行調控，紅外光激發的熱電子電流被放大十幾倍（圖1b），同時，響應速度顯著提升（圖1c）。
圖1.（a）紫外光（Gate光）調製下電晶體輸出的由紅外光（Source光）產生的熱電子光電流的I-t曲線（插圖為電晶體的工作示意圖）；（b）不同功率密度的紫外光（PG）和紅外光（PS）照射到電晶體上後輸出的電流；（c）在有紫外光和沒有紫外光作用下，紅外光照射下的I-t響應曲線。
進一步研究表明，這主要是因為紅外光產生的熱電子電流受到了Au和TiO2之間肖特基勢壘的阻擋，導致光電流較小（圖2a）。紫外光可以在TiO2中激發帶間躍遷，產生電子-空穴對，促使TiO2表面吸附的氧發生脫附，從而降低Au與TiO2之間的肖特基勢壘高度，促使更多的熱電子越過勢壘，形成光電流（圖2b）。另一方面，紫外光激發的光生載流子填充TiO2中的陷阱，减少了陷阱對熱電子的捕獲，囙此響應速度明顯提升（圖2b）。
圖2.（a）只有紅外光照射時，熱電子越過勢壘的示意圖；（b）紫外光照射下熱電子越過勢壘的示意圖。
此外，研究發現，改變紫外光的功率密度可以改善熱電子電流的穩定過程（圖3a和3b），適當的增大會促使光電流迅速達到穩定狀態（圖3b-d）。該工作有效推進了具有放大、開關、調製功能的全光輸入電晶體的實用化行程。
圖3.紫外光對紅外光產生的熱電子光電流增强和恢復穩定過程的影響。（a，b）在不同功率密度的紫外光作用下，熱電子光電流的I-t曲線；（c）熱電子光電流穩定的增强時間τenh和（d）恢復時間τrec隨著紫外光功率密度的變化趨勢。
上述研究得到了國家自然科學基金專案的資助。
文章連結：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c03364。
本文版權歸原作者所有，文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系，我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理！聯繫郵箱：yzhao@koushare.com