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，獲得了光控增強和熱電子光電流快速穩(wěn)定的Au/TiO₂全光輸入晶體管。相關(guān)結(jié)果以“All-Optical-Input Transistors with Light-Controlled Enhancement and Fast Stabilization of Hot-Electron Photocurrent”為題發(fā)表在Journal of Physical and Chemistry C上。

　　前期，固體所科研人員提出了一種新型的晶體管：多孔的Ag/TiO₂全光輸入晶體管。與傳統(tǒng)的光電晶體管利用電驅(qū)動來控制光電流不同，該晶體管采用一束紫外光來調(diào)控由近紅外光照射而激發(fā)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(chǎn)生的電信號提高數(shù)倍至百倍(Adv. Funct. Mater., 28,40, 1802288 (2018))。但當(dāng)紫外光打開或關(guān)閉時，晶體管的光電流增強和恢復(fù)過程極其緩慢，需要近十分鐘才能穩(wěn)定，且晶體管的制造工藝復(fù)雜、重復(fù)性差，限制了全光輸入晶體管的應(yīng)用。

　   基于此，團隊科研人員采用簡單的溶膠凝膠法制備了致密的TiO₂薄膜并構(gòu)筑了Au/TiO₂全光輸入晶體管（圖1a插圖）。該晶體管引入紫外光PG來調(diào)節(jié)近紅外光PS激發(fā)的熱電子光電流（圖1a）。通過采用不同功率密度的紫外光對紅外光產(chǎn)生的熱電子電流進行調(diào)控，紅外光激發(fā)的熱電子電流被放大十幾倍（圖1b），同時，響應(yīng)速度顯著提升（圖1c）。

       進一步研究表明，這主要是因為紅外光產(chǎn)生的熱電子電流受到了Au和TiO₂之間肖特基勢壘的阻擋，導(dǎo)致光電流較小（圖2a）。紫外光可以在TiO₂中激發(fā)帶間躍遷，產(chǎn)生電子-空穴對，促使TiO₂表面吸附的氧發(fā)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(fā)的光生載流子填充TiO₂中的陷阱，減少了陷阱對熱電子的捕獲，因此響應(yīng)速度明顯提升（圖2b）。

　　此外，研究發(fā)現(xiàn)，改變紫外光的功率密度可以改善熱電子電流的穩(wěn)定過程（圖3a和3b），適當(dāng)?shù)脑龃髸偈构怆娏餮杆龠_到穩(wěn)定狀態(tài)（圖3b-d）。該工作有效推進了具有放大、開關(guān)、調(diào)制功能的全光輸入晶體管的實用化進程。

　　上述研究得到了國家自然科學(xué)基金項目的資助。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c03364。

　　圖1. （a）紫外光（Gate光）調(diào)制下晶體管輸出的由紅外光（Source光）產(chǎn)生的熱電子光電流的I-t曲線（插圖為晶體管的工作示意圖）；（b）不同功率密度的紫外光（PG）和紅外光（PS）照射到晶體管上后輸出的電流；（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(yīng)曲線。

　　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。

　　圖3. 紫外光對紅外光產(chǎn)生的熱電子光電流增強和恢復(fù)穩(wěn)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(wěn)定的增強時間τenh和（d）恢復(fù)時間τrec隨著紫外光功率密度的變化趨勢。