我校物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的缪峰教授课题组和王伯根教授课题组在新型二维材料二硫化铼光电探测器研究领域取得重要进展,相关论文于2016年2月5日发表在《Advanced
Functional Materials》杂志上(Advanced Functional Materials,
DOI:10.1002/adfm.201504408)。邢定钰院士指导并参与了本文的工作。该论文的第一作者是物理学院博士后刘尔富博士,通讯作者是南京大学缪峰教授、王伯根教授及斯坦福大学袁洪涛研究员。

近年来,中波红外在热成像、分子鉴定、自由空间通讯、光学雷达等方面获得越来越重要的应用,都要求器件在室温下具备高灵敏度。  目前非制冷(室温)红外探测器的主流技术为热敏电阻式微辐射热计,但是器件比探测率偏低,响应时间慢。针对这方面的技术挑战,南京大学物理学院缪峰教授课题组及科研合作团队利用新型窄带隙二维材料“黑砷磷”(b-AsP)及相关范德华异质结,成功实现了室温性能超越现有商用技术的高灵敏中波红外光电探测,为推动二维材料在红外探测领域的应用迈出重要一步。  该课题组近年来在二维材料可见和近红外光电探测器领域已取得若干研究进展(Nano
Lett. 16,2254 (2016);Adv. Func. Mater. 26,1938
(2016).),在此基础上,这项工作选取了黑砷磷这样一种新型的窄带隙二维材料。这类材料通过元素砷同族掺杂黑磷得到,特定比例的黑砷磷b-As0.83P0.17已被发现其带隙可被调节至~0.15
eV,展现了在中红外探测领域的应用潜力。该工作首先利用机械解理法得到b-As0.83P0.17的薄层样品,制备了场效应光晶体管,在室温下观察到8.05μm中波红外的响应(图A),成功进入红外的第二个大气窗口。通过对探测器工作机制进一步的系统研究,发现光伏效应和光热电效应分别在不同背栅下会起到主导的作用(图B)。为了克服窄带隙半导体室温下暗电流和噪声较大从而导致器件性能显著下降的挑战,缪峰教授课题组利用二维材料定向转移的工艺,将不同掺杂的n型MoS2与b-As0.83P0.17(p型)堆叠在一起形成范德华异质节(图C)。测试结果显示这种结构的异质结有效降低了器件的暗电流和噪声,室温比探测率可高达5′109Jones,比目前被广泛使用的PbSe红外探测器的峰值探测率高了近1个量级(图D)。该结果也充分展示了基于窄带隙二维材料的范德华异质结在中波红外探测领域的巨大应用潜力。  图:(A)黑砷磷场效应器件在室温下8.05μm中波红外的响应信号,插图:器件的光伏响应(上)与结构示意图(下);(B)黑砷磷场效应器件的光电流随偏压及栅压的变化关系,揭示光伏效应和光热电效应分别起主导作用;(C)b-AsP-MoS2异质结光电探测器照片,标尺5μm;(D)室温下b-AsP-MoS2异质结光电探测器的比探测率与商用PbSe探测器及商用热敏电阻探测器的对比。  该工作以“Room
temperature high-detectivity mid-infrared photodetectors based on black
arsenic phosphorus”为题于2017年6月30日发表在Science子刊:《Science
Advances》杂志上(Science Advances, 3,
e1700589(2017))。  南京大学物理学院博士生龙明生和高安远为论文的共同贡献第一作者,缪峰教授、以及电子学院王肖沐教授和提供实验协助的上海技术物理所胡伟达研究员为该论文的共同通讯作者,该工作的合作者还包括香港中文大学的许建斌教授、慕尼黑理工大学的Tom
Nilges教授、上海技术物理研究所的陆卫研究员和陈效双研究员。  该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及国家杰出青年科学基金、科技部“量子调控”国家重大科学研究计划(青年科学家专题)项目、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等项目的资助。

自2004年石墨烯被发现以来,二维材料已成为近十余年的研究热点。2011年开始被广泛关注的过渡金属硫族化合物是具有合适带隙的半导体型二维材料,在电子与光电器件应用等方面展现出巨大潜力,为后摩尔时代集成化电子器件的研究开辟了新的方向。作为一类特殊的过渡金属硫族化合物,二硫化铼具有低晶格对称性和弱层间耦合的特性,从而表现出与其他过渡金属硫族化物不同的物理性质,例如各向异性以及在多层样品中保持直接带隙。而其中多层直接带隙这一特性预示ReS2可能在高性能光电探测器件领域有重要的应用前景。

这项工作基于该课题组之前对薄层ReS2性质的研究(Nature Communications 6,
6991 ; DOI:
10.1038/ncomms7991),利用机械解理法以及二维材料定向转移法得到了多层ReS2与氮化硼的高质量范德瓦尔斯异质结构,并利用微纳加工方法制备了基于多层ReS2的高性能光电晶体管器件。在可见光波段的激光照射下,ReS2光电探测器表现出优异的性能,光电响应率高达88600
A/W,比之前报道的结果高出了5000倍。这一数值在所有类似结构的二维材料光电器件中是最高的,是单层MoS2光电探测器的100倍。如此高的光电响应率可通过多层ReS2中较高的光吸收以及有效的增益机制来解释,其中增益机制来自于ReS2中的缺陷态,该机制也得到器件电子输运机制研究结果的证实。基于ReS2的高性能光电探测器件因为其超高的响应率,可能会在微弱信号探测领域有着重要的应用,该项工作最后还利用打火机及日光灯作为微弱光源成功实现了简单的演示。

动用ReS2光电探测器超级高的响应率完成了对身无寸铁光实信号的探测,这项专业选择了黑砷磷那样一种新颖的窄带隙二维材质。这项工作的主要意义在于:研究了新型二维材料ReS2与氮化硼异质结的光电探测性能,得到所有类似结构的二维材料光电探测器中最高的探测率(88600
A/W);结合电子输运的研究,解释了基于ReS2光电探测器超高响应率的机制;利用ReS2光电探测器超高的响应率实现了对微弱光信号的探测,为ReS2在未来光电子器件方向的应用提供了基础。

该项研究得到科技部“量子调控”国家重大科学研究计划项目、江苏省杰出青年基金、科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金等资助。

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基于多层ReS2与氮化硼范德瓦尔斯异质结构的高性能光电晶体管器件;ReS2光电探测器的超高响应率,和所有类似结构的二维材料光电器件相比是最高的;缺陷态导致的增益机制示意图;实现对微弱光信号的探测。

(物理学院 科学技术处)

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