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2024-05-24 16:07:38

具有宽光谱范围和多波段响应的多层MoS2光电探测器

导读 近年来,宽带光电探测器在光通信、成像、传输、传感、环境安全、监测等各个领域发挥着重要作用。二硫化钼(MoS 2)是一种典型的二维材料,是...

近年来,宽带光电探测器在光通信、成像、传输、传感、环境安全、监测等各个领域发挥着重要作用。二硫化钼(MoS 2)是一种典型的二维材料,是一种过渡金属二硫属化合物,由于其优异的电学和光学性能以及易于加工而引起了广泛关注。然而,MoS 2的带隙限制了其光电探测器的探测范围。为了拓宽MoS 2光电探测器 的响应范围 ,已经报道了各种化学处理方法。此外,将MoS 2 探测器与光子纳米结构集成可以增强和拓宽光响应。尽管如此,无需化学处理制备的机械剥离MoS 2 光电探测器具有不可替代的优势。通过机械剥离实现过渡金属二硫属化合物中的亚带隙光电检测已成为当前研究的重点。此外,二维材料光电探测器的性能与器件结构和制备方法密切相关。本研究采用机械剥离法制备了多层MoS 2 场效应晶体管(FET)光电探测器,其光谱探测范围最宽可达1550 nm。实验结果表明,优化后的MoS 2 FET具有更低的电阻和更稳定的栅极控制特性。通过在预转移过程中机械剥离多层MoS 2 ,在480 nm照射下实现了高响应度和比探测率。该器件在410至800 nm的入射光下表现出良好的输出和透射特性,并且具有光敏性。响应带宽可扩展至1550 nm,实现跨多个光谱区域的宽带响应。此外,分析了器件在不同波长下的载流子传输特性和时间相关响应。可见光检测基于光电导和光电门控效应,而带隙外的透视 光检测主要依赖于光热效应。

东南大学研究团队通过MoS 2 与Au 之间的不同接触方式,解释了转移前与转移后MoS 2器件不同的电学特性。利用开尔文探力显微镜观察了转移后MoS 2器件MoS 2 -Au 结处的表面电位差(SPD) 。根据SPD 测量结果和功函数差异发现,MoS 2的功函数 比Au 的功函数小约0.05 eV。接触前后的能带图显示,MoS 2 -Au 界面存在肖特基势垒,导致电学行为较差。转移前器件中,MoS 2 -Au 界面受到费米能级钉扎的影响,导致Au 的功函数降至MoS 2的以下,结果在MoS 2 -Au 界面形成了欧姆接触,降低了接触电阻,提高了电流。

本研究提出了一种优化的机械剥离多层 MoS 2 背栅探测器,该探测器具有多波段光电探测能力。在优化的预转移制作工艺下,该器件表现出了改进的电荷传输性能。无需化学处理,MoS 2探测器便可实现超越 MoS 2带隙的 宽光谱光电探测 。该器件 在可见光(480 nm)下显示出最大响应度为 33.75 AW −1 ,相应的比探测率为 6.1×10 11 cm Hz 1/2 W −1。可见光下的响应机制归因于光电门控和光电导效应。此外,该器件在 1550 nm 透视 光下显示出响应,超越了带隙限制,这是由于光热效应引起的载流子浓度变化。该器件的宽带光电探测行为归因于可见光下的光电效应和透视 光下的光热效应,为室温宽带探测提供了思路,并在透视 隐身、机器视觉、环境监测等各个领域展现出巨大的潜力。