近期，中科院合肥研究院固体所科研人员在可见-近红外光电探测研究方面取得进展，获得了光控增强和热电子光电流快速稳定的Au/TiO₂全光输入晶体管。相关结果以“All-Optical-Input Transistors with Light-Controlled Enhancement and Fast Stabilization of Hot-Electron Photocurrent”为题发表在Journal of Physical and Chemistry C上。

　　前期，固体所科研人员提出了一种新型的晶体管：多孔的Ag/TiO₂全光输入晶体管。与传统的光电晶体管利用电驱动来控制光电流不同，该晶体管采用一束紫外光来调控由近红外光照射而激发的热电子光电流。通过控制紫外光的功率密度，使近红外光产生的电信号提高数倍至百倍(Adv. Funct. Mater., 28,40, 1802288 (2018))。但当紫外光打开或关闭时，晶体管的光电流增强和恢复过程极其缓慢，需要近十分钟才能稳定，且晶体管的制造工艺复杂、重复性差，限制了全光输入晶体管的应用。

　   基于此，团队科研人员采用简单的溶胶凝胶法制备了致密的TiO₂薄膜并构筑了Au/TiO₂全光输入晶体管（图1a插图）。该晶体管引入紫外光PG来调节近红外光PS激发的热电子光电流（图1a）。通过采用不同功率密度的紫外光对红外光产生的热电子电流进行调控，红外光激发的热电子电流被放大十几倍（图1b），同时，响应速度显著提升（图1c）。

       进一步研究表明，这主要是因为红外光产生的热电子电流受到了Au和TiO₂之间肖特基势垒的阻挡，导致光电流较小（图2a）。紫外光可以在TiO₂中激发带间跃迁，产生电子-空穴对，促使TiO₂表面吸附的氧发生脱附，从而降低Au与TiO2之间的肖特基势垒高度，促使更多的热电子越过势垒，形成光电流（图2b）。另一方面，紫外光激发的光生载流子填充TiO₂中的陷阱，减少了陷阱对热电子的捕获，因此响应速度明显提升（图2b）。

　　此外，研究发现，改变紫外光的功率密度可以改善热电子电流的稳定过程（图3a和3b），适当的增大会促使光电流迅速达到稳定状态（图3b-d）。该工作有效推进了具有放大、开关、调制功能的全光输入晶体管的实用化进程。

　　上述研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

　　文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c03364。

　　图1. （a）紫外光（Gate光）调制下晶体管输出的由红外光（Source光）产生的热电子光电流的I-t曲线（插图为晶体管的工作示意图）；（b）不同功率密度的紫外光（PG）和红外光（PS）照射到晶体管上后输出的电流；（c）在有紫外光和没有紫外光作用下，红外光照射下的I-t响应曲线。

　　图2. （a）只有红外光照射时，热电子越过势垒的示意图；（b）紫外光照射下热电子越过势垒的示意图。

　　图3. 紫外光对红外光产生的热电子光电流增强和恢复稳定过程的影响。（a，b）在不同功率密度的紫外光作用下，热电子光电流的I-t曲线；（c）热电子光电流稳定的增强时间τenh和（d）恢复时间τrec随着紫外光功率密度的变化趋势。