華科翟天佑Adv. Mater. : 液態合金輔助生長2D三元Ga2In4S9薄片及其高性能紫外光電檢測

【引言】

最近，2D三元材料由于化學計量比易于調控，其物理性質隨之發生變化，引起了越來越多的關注。其中，三元Ga₂In₄S₉是具有弱范德華相互作用的層狀n型半導體材料，具有優越電子特性，即光敏性(約2.7 eV的寬帶隙)以及隨溫度變化的光吸收邊，有望用于紫外檢測。作為一種雙金屬硫化物，三元Ga₂In₄S₉與相應二元材料相比具有更加奇特的電子和光電性質。目前為止，研究人員僅報道了通過化學氣相傳輸獲得的厚度為幾微米的塊體Ga₂In₄S₉的工作，然而塊體結構阻礙了其在微納電子和光電器件領域的實際應用。目前尚未見關于合成具有可控化學計量的2D三元Ga₂In₄S₉薄片的報道，應歸因于難以選擇最佳的雙金屬前驅體。最近，具有可調金屬元素的共晶鎵熔體可用于制備原子級薄金屬氧化物或硒化物，為生長上述三元半導體提供了有前景的方法。

【成果簡介】

近日，華中科技大學翟天佑教授(通訊作者)等首次采用鎵/銦液態合金作為前驅體，通過化學氣相沉積合成只有幾個原子層厚(最薄的樣品約2.4 nm)的高質量2D三元Ga₂In₄S₉薄片，并在Adv. Mater.上發表了題為“Liquid-Alloy-Assisted Growth of 2D Ternary Ga₂In₄S₉ toward High-Performance UV Photodetection”的研究論文。作者對上述2D三元Ga₂In₄S₉薄片的紫外光傳感應用進行了系統性探索。Ga₂In₄S₉薄片基光電探測器具有出色的紫外檢測能力(R_λ= 111.9 A·W^-1，外量子效率= 3.85×10⁴ %，360 nm時探測率D* = 2.25×10¹¹ Jones)，響應速度快(τ_ring≈40 ms， τ_decay≈50 ms)。此外，Ga₂In₄S₉基光電晶體管在約0 V的臨界背柵極偏壓、360 nm時表現出約10⁴ A·W^-1的響應度。使用液態合金合成超薄2D Ga₂In₄S₉納米結構為設計新穎的2D光電子材料以實現最佳的器件性能提供了極大的可能性。

【圖文簡介】
圖1 層狀Ga₂In₄S₉的合成與表征

a) 利用液態Ga/In合金和硫粉前驅體生長2D Ga₂In₄S₉的示意圖；
b) 在SiO₂/Si基底上的三角形Ga₂In₄S₉晶體的光學圖像；
c) AFM圖像和SiO₂/Si基底上典型三角形Ga₂In₄S₉晶體的高度分布；
d-f) SiO₂/Si基底上Ga₂In₄S₉晶體的XPS光譜；
g-i) T_S為300±20℃、360±20℃和450±20℃下合成的Ga₂In₄S₉晶體厚度統計分布，內插為SiO₂/Si基底上Ga₂In₄S₉薄片的光學圖像。

圖2 Ga₂In₄S₉薄片的結構信息

a) 典型Ga₂In₄S₉薄片的HAADF-STEM圖像；
b) a圖中薄片相應的原子分辨率HAADF-STEM圖像；
c) a圖中標記區域的相應SAED圖案；
d-f) Ga₂In₄S₉薄片的EDX元素映射。

圖3 Ga₂In₄S₉薄片的光學性質

a) 室溫下Ga₂In₄S₉薄片隨厚度變化的陰極發光(CL)光譜；
b) 2L Ga₂In₄S₉薄片隨溫度變化的CL光譜，其范圍為113 K至293 K；
c) 根據b圖中CL測試所得的450 nm處帶隙能隨溫度的變化；
d) 根據b圖中CL測試所得的Arrhenius擬合的650nm附近積分強度隨溫度的變化。

圖4 Ga₂In₄S₉薄片的光電特性

a) Ga₂In₄S₉薄片的光譜響應曲線，內插為器件的AFM圖像；
b) 暗處和330至800nm不同波長光照下器件的I-V曲線；
c) V_ds = 5 V時Ga₂In₄S₉光電探測器的響應度和探測率隨輻射波長的變化；
d) 360 nm時不同照射強度下光電探測器的I-V曲線；
e) 光電流隨入射光強度變化的冪函數擬合曲線；
f) 根據e圖中在V_ds = 5 V時測量的光電流計算所得響應度和檢測率；
g) V_ds = 5 V時，在功率強度為1.481 mW·cm^-2的360 nm光照下，器件光響應隨時間的變化；
h,i) 使用示波器測量的上升和衰減曲線。

圖5 Ga₂In₄S₉薄片基光電晶體管

a) 10 L Ga₂In₄S₉晶體管在黑暗條件下的輸出特性曲線；
b) 黑暗條件下不同厚度Ga₂In₄S₉晶體管的傳輸特性曲線；
c) V_ds = 5 V時，暗處和360 nm光下的I_ds-V_gs曲線；
d) V_ds = 5 V時，光響應比(I_ph/I_dark)和響應度隨V_gs的變化；
e) 考慮到電極/溝道接觸處較小的肖特基勢壘時Ga₂In₄S₉晶體管的能帶圖。

圖6 Ga₂In₄S₉薄片的載流子動力學

a) 從b圖中Ga₂In₄S₉薄片上紅圈標記位置收集的典型PL衰變曲線(藍色圓圈)，紅線為單指數擬合；
b) Ga₂In₄S₉薄片的熒光壽命映射圖像；
c) 掃描光電顯微鏡(SPCM)的原理圖；
d) 典型的光電流衰減長度(藍色圓圈)，紅線為單指數擬合。

【小結】

綜上所述，作者通過液態合金輔助CVD技術獲得了高結晶度超薄Ga₂In₄S₉薄片。通過調節液態Ga/In合金和硫前驅體的加熱溫度可以調控形貌和厚度。三元2D Ga₂In₄S₉優異的光電子行為主要歸因于相對較長的載流子壽命以及薄片結晶度高所致的少數載流子擴散長度較長。在CVD過程中引入低熔點液態合金是超薄Ga₂In₄S₉薄片可控生長的關鍵，對于其他新型2D材料的設計和生長具有重要意義。

文獻鏈接：Liquid-Alloy-Assisted Growth of 2D Ternary Ga₂In₄S₉ toward High-Performance UV Photodetection (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201806306)

本文由材料人編輯部abc940504【肖杰】編譯整理。

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