華科大翟天佑/周興團隊Adv. Funct. Mater.：通過氧等離子體處理具有寬帶響應的顯著增強型SnS2光電探測器

【引言】

2D二硫化錫（SnS₂）帶隙范圍（2.2~2.4 eV），吸收系數高達10⁴?cm^?1，是一種廉價、可持續的材料。它的特性使其在電子、光電、儲能等領域的應用得到了廣泛的研究。SnS₂光電探測器顯示出高達261 AW^?1的光響應度和230 cm²?V^-1?s^-1的載流子遷移率，因此使其成為電子和光電應用中有希望的候選者。然而，SnS₂的固有缺陷是硫空位，這些固有缺陷阻礙了其光學吸收，引起費米能級釘扎效應（引起金屬接觸電阻等），從而使其無法在光電器件應用中充分發揮其潛在的性能。

【成果簡介】

近日，在華中科技大學翟天佑教授和周興講師等人（共同通訊作者）帶領下，研三學生于璟（論文第一作者）等人使用強O₂等離子體處理來增強型SnS₂基器件的光電性能，通過有目的地引入更多的載流子陷阱（缺陷）以增強其（光）載流子活性。通過實驗研究和第一性原理計算，解釋了處理過的SnS₂能帶結構變化的基本物理原理。在O₂等離子體處理過程中，SnS₂薄片的表面被蝕刻，同時注入了氧原子。因此，構建的基于O₂等離子體處理的SnS₂基器件在從紫外線覆蓋整個可見光范圍（300-750 nm）的寬帶光敏化方面表現出了顯著的改善。特別是在350 nm的光照下，經O₂等離子體處理的SnS₂光電探測器顯示出從385到860 AW^-1的增強光響應，外部量子效率從1.3×10⁵％到3.1×10⁵％，比檢測率從4.5×10⁹到1.1×10¹⁰瓊斯（Jones）以及將上升（τ_r）和衰減（τ_d）時間分別從12和17 s改進為0.7和0.6 s的光開關響應。因此，這種簡單的方法可以作為一種可靠的技術來提高某些2D電子材料和光電子材料的性能。相關成果以題為“Giant‐Enhanced SnS₂?Photodetectors with Broadband Response through Oxygen Plasma Treatment”發表在了Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1?在SnS₂中注入氧

a）O₂等離子體處理技術的示意圖。

b）原始和經O₂等離子體處理的SnS₂薄片的光學圖像。

c）原始（黑色）和經O₂等離子體處理的SnS₂（紅色）的吸收光譜。

d-f）原始和經O₂等離子體處理的SnS₂薄片的d）O 1s、e）S 2p、f）S 2p狀態的XPS光譜。

圖2?DFT理論計算得到的形成能、電荷轉移和能帶結構

a）計算出SnS₂晶體中5種可能的S相關缺陷的缺陷形成能。

b）O-SnS₂體系的電子電荷密度差，其中Sn、S和O原子分別用紅球、黃球和淡藍球表示。

c）原始SnS₂的能帶結構和DOS。

d）O₂等離子體處理的SnS₂的能帶結構和DOS。

圖3?SnS₂器件的電子測量

a）SnS₂?FETs的橫截面示意圖。

b）原始（黑色）和經O₂等離子體處理的SnS₂（紅色）器件的門控響應（I_ds–V_g），在V_ds?= 1V時V_g?為40 V至40 V。

c）原始（黑色）和經O₂等離子體處理的SnS₂（紅色）SnS₂?FETs的I_ds–V_d曲線。

d）原始SnS₂?FETs的相應輸出特性。

e）經O₂等離子體處理的SnS₂?FETs的相應輸出特性。

f）在V_g = 10 V時，原始（黑色）和經O₂等離子體處理的SnS₂（紅色）FETs的相應輸出特性。

圖4 SnS₂器件的光電特性

a）隨著功率密度的增加，原始SnS₂光電探測器在黑暗和350 nm光源下的I_d-V_d曲線特征。

b）隨著功率密度的增加，在黑暗和350 nm光源下，經過O₂等離子體處理的SnS₂光電探測器的I_d-V_d曲線特征。

c）在V_ds?= 1 V時原始SnS₂的I_d–V_g輸出特性曲線。

d）在V_ds?= 1 V時經過O₂等離子體處理的SnS₂的I_d–V_g輸出特性曲線。

e）隨著350nm光源功率密度的增加，原始（黑色）和經過O₂等離子體處理的（紅色）SnS₂的器件在V_d = 2時的時間分辨光響應。

f）在不同功率強度的光照下，原始（黑色）和經O₂等離子體處理（紅色）的SnS₂的響應度和EQE。

圖5?SnS₂器件的寬帶光電特性

a）原始SnS₂器件的300~900 nm的寬帶光響應等值線圖。

b）經O₂等離子體處理的SnS₂器件在300~900 nm范圍內的寬帶光響應等值線圖。

c）在300~900 nm的V_d?= 2 V時，原始SnS₂器件的時間分辨寬帶光響應。

d）在300~900 nm的V_d?= 2 V時，經O₂等離子體處理的SnS₂器件的時間分辨寬帶光響應。

e）解釋原始SnS₂中光響應行為的能帶示意圖。

f）解釋處理后的SnS₂中寬帶響應行為的能帶示意圖。

【小結】

綜上所述，提出了采用強O₂等離子體處理的增強型SnS₂器件。經O₂等離子體處理的SnS₂光電探測器表現出出色的光電轉換能力。具體而言，在350 nm的光照下，它顯示出從385 AW^-1到860 AW^-1的增強的光響應性，從1.3×10⁵％到3.1×10⁵％的外部量子效率，從4.5×10⁹到1.1×10¹⁰?Jones的探測性，以及改善的光開關響應從12s和17s上升（τ_r）和衰減（τ_d）時間分別為0.7s和0.6s。強O₂等離子體處理工藝有助于將氧原子注入到SnS₂中，從而影響了漏極電流和光載流子的重組。此外，還進行了XPS、XRD、拉曼和理論計算，解釋了處理結果的基本物理原理。這種簡便的技術可以為增強半導體2D材料的光電性能提供一條途徑。

文獻鏈接：Giant‐Enhanced SnS₂?Photodetectors with Broadband Response through Oxygen Plasma Treatment（Adv. Funct. Mater.，?2019，DOI:10.1002/adfm.202001650）

【團隊介紹】

翟天佑，華中科技大學二級教授，材料成形與模具技術國家重點實驗室副主任，主要從事二維材料與光電器件方面的研究工作：（1）發展了近穩態供源和限域空間生長控制策略，實現了若干高質量二維材料氣相沉積生長的可控制備；（2）在國際上率先提出并成功合成了二維無機分子晶體，將二維分子晶體的概念從有機分子引入到無機分子，極大地擴展了分子晶體研究領域；（3）創造性提出可重構高效二維雙極晶體管概念，成功實現基于鐵電剩余極化效應的可控摻雜方案，并以可重構的局域鐵電極化發展出高性能的雙極型光電晶體管，推動了光電子器件工藝的微型化和集成化。以第一/通訊作者在AM (22), NC (3), JACS (2), Angew (3), AFM (32)，ACS Nano (7)等期刊上發表SCI論文200余篇，所有論文引用15000余次，2015/2018/2019三次入選“全球高被引科學家”，是萬人計劃科技創新領軍人才、國家杰出青年科學基金資助對象，曾獲國家自然科學二等獎（5/5）、英國皇家化學會會士、中國化學會青年化學獎和湖北青年五四獎章等。

周興，男，華中科技大學材料科學與工程學院講師、碩士生導師。主要從事二維材料/異質結的可控制備及其光電性能的研究。目前共發表論文30余篇，引用1200余次。以第一/通訊作者身份在Chem. Soc. Rev. (1), Adv. Mater. (2), JACS (1), Matter (1), Adv. Funct. Mater. (8)等期刊上發表論文20余篇，5篇封面文章。

團隊相關重要文獻：

1. Zhou, L. Gan, W. M. Tian, Q. Zhang, S. Y. Jin, H. Q. Li, Y. Bando, D. Golberg, T. Y. Zhai*, Ultrathin SnSe₂Flakes Grown By Chemical Vapor Deposition for High Performance Photodetectors, Adv. Mater. 2015, 22, 8035-8041.
2. Zhou, X. Z. Hu, S. S. Zhou, H. Y. Song, Q. Zhang, L. J. Pi, L. Li, H. Q. Li, J. T. Lü, T. Y. Zhai*, Tunneling Diode Based on WSe₂/SnS₂Heterostructure Incorporating High Detectivity and Responsivity, Adv. Mater. 2018, 30, 1703286.
3. Z. Hu, P. Huang, B. Jin, X. W. Zhang, H. Q. Li*, X. Zhou*, T. Y. Zhai*, Halide-Induced Self-Limited Growth of Ultrathin Nonlayered Ge Flakes for High-Performance Phototransistors, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12909-12914.
4. Lv, F. W. Zhuge*, F. J. Xie, X. J. Xiong, Q. F. Zhang, N. Zhang, Y. Huang, T. Y. Zhai*, Two-Dimensional Bipolar Phototransistor Enabled by Local Ferroelectric Polarization, Nat. Commun. 2019, 10, 3331.
5. Han, P. Huang, L. Li, F. K. Wang, P. Luo, K. L. Liu, X. Zhou, H. Q. Li, X. W. Zhang, Y. Cui*, T. Y. Zhai*, Two-dimensional Inorganic Molecular Crystals, Nat. Commun. 2019, 10, 4728.
6. F. K. Wang, T.Gao, Q.?Zhang, Y.?Hu, B.?Jin, L.?Li, X.?Zhou, H. Q.?Li, G. V. Tendeloo, T. Y.?Zhai*, Liquid Alloy Assisted?Growth of 2D Ternary Ga2In4S9 toward?High-Performance UV Photodetection, Adv. Mater. 2019, 31, 1806306.
7. Luo, F. W. Zhuge*, F. K. Wang, L. Y. Lian, K. L. Liu, J. B. Zhang, T. Y. Zhai*,PbSe Quantum Dots Sensitized High-Mobility 2D Bi2O2Se Nanosheets for High-Performance and Broadband Photodetection Beyond 2 μm, ACS Nano 2019,?13, 9028-9037.
8. Jin, F. Liang, Z. Y. Hu, P. Wei, K. L. Liu, X. Z. Hu, G. V. Tendeloo, Z. S. Lin, H. Q. Li, X. Zhou*, Q. H. Xiong*, T. Y. Zhai*,?Nonlayered CdSe flakes homojunctions,?Adv. Funct. Mater.?2020, 30, 1908902.
9. W. Shu, Q. J. Peng, P. Huang, Z. Xu, A. A. Suleiman, X. W. Zhang,X. D. Bai, X. Zhou*, T. Y. Zhai*, Growth of Ultrathin Ternary Teallite (PbSnS2) Flakes for Highly Anisotropic Optoelectronics, Matter 2020, 2, 977.
10. F. K. Wang, Z. Zhang, Y. Zhang, A. M. Nie, W. Zhao, D. Wang, F. Q. Huang*, T. Y. Zhai*, Honeycomn RhI3 Flakes with High Environmental Stability for Optoelectronics, Adv. Mater. 2020, 32, 2001979.

本文由木文韜翻譯編輯。

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