单晶硅是一种良好的半导体材料，广泛用于制造场效应晶体管、整流二极管、太阳能电池等半导体器件，是当今集成电路制造领域中的重要基石。单晶硅纳米薄膜具有优异的光电特性，在材料生长、器件加工和相应的读出电路集成方面与现有硅芯片技术兼容，因此在光电探测领域也具备广泛的应用前景。然而，基于硅纳米薄膜光电探测器的光响应率普遍较低，主要是因为其厚度太薄难以对入射光进行有效吸收。自卷曲技术作为一种新型片上集成技术，可以将平面的功能膜材料卷起为微管并充当光子陷阱；此外，卷起的纳米膜可以引入应力来调整半导体的带隙和载流子输运，从而提升材料品质。

近日，复旦大学材料科学系梅永丰教授课题组在《先进材料》（Advanced Materials）上发表题为《用于片上管状偏振光电探测器的自卷超薄单晶硅纳米膜》（“Self-rolled-up ultrathin single-crystalline silicon nanomembranes for on-chip tubular polarization photodetectors”）的研究工作。博士研究生吴斌民和张子煜为共同第一作者，梅永丰为通讯作者。

图1：硅锗外延界面的透射电子显微镜图像(A)，以及相应的应变分布图(B)。(C) 自卷曲硅纳米薄膜微管的SEM图像。(D)计算的自卷曲硅纳米薄膜微管直径与厚度之间的关系。(E)自卷曲硅纳米薄膜微管光电探测器件的SEM图像。(F)硅微管的光电流mapping。(G)硅纳米薄膜微管探测器在400-1100 nm波段的光电响应。管状硅纳米薄膜器件的广角耦合探测(H)和偏振敏感探测(I)。

研究团队探索了锗上外延硅纳米薄膜系统中外延界面处的应变分布（图1A，B），并提出一种非破坏性湿法选择性刻蚀释放外延硅纳米薄膜来制备自卷曲硅微管，如图1C所示。然后计算了外延硅纳米薄膜厚度与微管管径之间的关系（图1D），并研究了不同厚度硅纳米薄膜自卷曲微管中的应力分布。通过表征的自卷曲硅纳米薄膜的原子相结构，表明硅纳米薄膜在释放和自卷曲后依旧保持高质量单晶。基于此，制备了基于自卷曲硅纳米薄膜微管光电探测器(图1E)，并实现了较好的欧姆接触。图1F给出了器件在偏置电压为1V时的光电流Mapping。该器件在可见光至近红外波段展示了优异的光探测性能，响应率可达330 mA/W (图1G)，响应时间短至370 µs。此外，具有管状几何结构的硅纳米薄膜自卷曲光电探测器实现了超过150°的广入射角耦合探测，如图1H。不仅如此，通过计算微管结构与线性偏振入射光之间的耦合关系，为硅管状结构的偏振检测提供了理论依据。经测试，在940 nm激光下分别实现了1.24偏振二色性比。该方法同样适用于其他外延材料体系制备自卷曲微管光电探测器件，卷曲应变不仅能够有效调控材料性能，更能大幅度提高薄膜材料的光吸收效率，并且还能实现无镜头辅助的广角探测和偏振敏感探测。因此，基于异质外延纳米薄膜释放自卷曲制备微管光电器件具有一定普适性，基于该方法可以制备高速、高灵敏、宽波段和多功能的三维管状光电探测器，为异质外延纳米薄膜在光电探测领域提供新的应用途径和机遇。

该工作得到了了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助和支持。

文章信息：Binmin Wu, Ziyu Zhang, Zhi Zheng, Tianjun Cai, Chunyu You, Chang Liu, Xing Li, Yang Wang, Jinlong Wang, Hongbin Li, Enming Song, Jizhai Cui, Gaoshan Huang, Yongfeng Mei. Self‐rolled‐up ultrathin single‐crystalline silicon nanomembranes for on‐chip tubular polarization photodetectors. Advanced Materials, 2023, 35, 2306715.

文章连接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202306715