近日，暨南大学物理与光电工程学院（理工学院）杜纯/段宣明教授团队在国际著名期刊Advanced Materials（影响因子27.2）上发表了题为“Self-Trapped Excitons in 3R ZnIn2S4 with Broken Inversion Symmetry for High-Performance Photodetection”最新研究成果。
具有自陷态激子（STEs）效应的材料因其优异的光电性能和可调性，受到广泛关注。这类材料展现出宽光谱发射、长载流子寿命及自吸收特性，在发光二极管、光电探测和太阳能电池等领域具有重要的应用潜力。通常，STEs 由受激软晶格半导体中的畸变形成，主要受强电子-声子耦合的影响。值得注意的是，激发态的 STEs 可迅速弛豫回到基态，并伴随较大斯托克斯位移的宽带光子发射，为光电器件提供了理想的光学响应。此外，能量接近 STEs 的光子可在晶体内有效吸收，促进光电流的产生。因此，深入探索 STEs 相关材料对于开发高性能光电探测器具有重要意义。
具有自陷态效应的3R-ZnIn2S4光物理机制及其光电探测应用示意图
该工作以二维范德华材料 3R-ZnIn₂S₄ 为研究对象，揭示了其内部强烈的声子-电子耦合作用，并发现该材料表现出显著的本征自陷态激子（STEs）效应。3R-ZnIn₂S₄ 具有宽谱荧光发射（500–900 nm）和较大的斯托克斯红移（0.6 eV）。结合实验和理论计算，研究揭示了 STEs 诱导光电导效应的光物理机制，表明 3R-ZnIn₂S₄ 内在的 STEs 通过捕获空穴增强其光吸收能力、局域化效应和长载流子寿命。因此，基于二维 3R-ZnIn₂S₄ 的光电探测器表现出优异的光敏性、宽带光响应和稳定性。在 375 nm 光照下，器件的光电开关比达到 11,286，响应度为 15.2 A W⁻¹，探测率为 1.02 × 10¹¹ Jones，外量子效率高达 5,032%。此外，器件的响应/恢复时间分别为 0.57 ms 和 0.55 ms。本研究创新性地关注了由反演对称性破缺引起的结构畸变对光电导效应的增强作用。与传统依赖外部结构设计或能带工程提升光电性能的方法不同，该研究充分利用材料的内在特性，为高性能光电应用提供了新的研究思路。
该论文的第一作者为杜纯助理研究员和黄兹淇硕士研究生，通讯作者为杜纯助理研究员和中山大学陈一村助理研究员。段宣明教授对本研究提供了重要指导。本工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金及广州市科技计划的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410417
图文：杜纯
