Adv. Mater.報道：液態金屬合成原子級SnS層，助力高性能寬頻光電探測器

【背景介紹】

自石墨烯報道以來，二維（2D）材料一直是研究熱點。但是，過渡金屬單硫系化合物（MX，M=Sn、Ge等，X=S，Se）仍待進一步開發。半導體硫化錫（SnS）是斜方晶系層狀結構中的過渡金屬單硫化物家族的代表。作為p-型半導體，SnS是一種成本低、含量豐富的具有可調帶隙的層狀材料，在原子級厚度時具有優異的載流子遷移率和大吸收系數的特性，使其對電子和光電子學十分有吸引力。然而，由于形成不受控制的晶粒取向、缺陷和雜質，常規的生長和合成策略（化學氣相沉積等）不能制備出優異的原子級SnS。低溫液態金屬策略為獲得具有較大橫向尺寸的超薄層提供了機會，而SnS是一種可在低溫下處理的材料，或許可利用該方法進行合成，甚至作為功能層用于寬頻光電探測器上，但是目前還沒有相關報道。

【成果簡介】

近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學的Sumeet Walia、Nasir Mahmood和Taimur Ahmed（共同通訊作者）等人聯合報道了一種SnS層，其厚度從單個單元晶格（0.8 nm）到由金屬液態錫合成的多個堆疊單元晶格（1.8 nm）不等，橫向尺寸為毫米級。研究發現，這些大面積SnS層存在從深紫外（UV）到近紅外（NIR）（280-850 nm）波長范圍內的寬帶光譜響應，具有快速的光檢測能力。對于單個單元晶格厚的SnS層，在660 nm的室溫工作波長下，光電探測器的響應度（927 A W^-1），比商業化光電探測器高出三個數量級。該研究為制備可復制的大橫向尺寸納米片提供了一條新途徑，可用于寬頻、高性能光電探測器。它還為集成光電電路、傳感和生物醫學成像中的可擴展應用提供了重要的技術啟示。研究成果以題為“Liquid-Metal Synthesized Ultrathin SnS Layers for High-Performance Broadband Photodetectors”發布在著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、SnS的合成示意圖與表征
（a）SnS合成過程的示意圖；

（b）在光電探測器中，傳導通道的單元晶格厚SnS的光學顯微鏡圖像；

（c）在硫化物環境中，合成SnS的TEM圖像；

（d）樣品的HR-TEM圖像顯示與（040）平面匹配的2.8 ?間距；

（e）單元晶格厚SnS層的AFM圖像；

（f）AFM圖像顯示出厚度為0.8 nm；

（g）環境條件下，測量層狀SnS的拉曼光譜以及SiO2/Si襯底的光譜；

（h）Sn-S 3d_5/2和3d_3/2的XPS光譜在486.1 eV和494.5 eV處出現峰；

（i）XPS光譜中S2p_3/2和S2p_1/2峰對應于161.7 eV和162.8 eV處。

圖二、DFT計算和能帶結構的實驗分析
（a-c）單層、雙層和三層SnS的能帶結構；

（d-e）Tauc曲線估計單個和多個單元晶格厚SnS層材料的間接帶隙值（Ei）。

圖三、不同厚度SnS層的表征
（a）在SiO₂/Si基底上制備SnS光電探測器的示意圖；

（b）在4.0 V的偏置和1.45 nW的功率密度下獲得的寬頻光電流；

（c）對于單個單元晶格厚SnS層，不同波長測量的光電流在660 nm處有最大響應；

（d）針對多個單元晶格厚SnS層，不同波長測量的光電流在NIR區域有最大響應。

圖四、不同厚度SnS層的品質因數
（a-b）在不同功率強度下，不同厚度SnS層的光電流顯示出線性相關曲線；

（c-d）在不同波長下，不同厚度SnS層在P_inc=2.5 mW cm^-2且V_ds=2.0 V時獲得的響應度；

（e-f）在不同波長下，不同厚度SnS層在P_inc=2.5 mW cm-2且V_ds=2.0 V時獲得的檢測度；

（g）在500 Hz照射頻率下，單個單元晶格厚SnS層在660 nm波長下的響應時間；

（h）在500 Hz照射頻率下，多個單元晶格厚SnS層在850 nm波長下的響應時間。

【小結】

綜上所述，作者提出了一種利用熔融Sn在傳統基板上的vdW轉移，可重復合成大面積單個和多個單元晶格厚SnS層的方法。合成SnS層的帶隙隨著層厚度的增加而減小，且可用于在280-850 nm波長范圍內工作的寬帶光電探測器。對比最先進的商用光電探測器，該寬頻光電探測器的品質指標具有超過三個數量級的響應度。因此，該工作為大面積合成代表性材料的超薄層提出了一條新途徑，并且該材料適用于高性能光電探測器。同時，為發現可能存在于其他層狀材料的量子極限處的獨特性質提供了新思路。

文獻鏈接：Liquid-Metal Synthesized Ultrathin SnS Layers for High-Performance Broadband Photodetectors（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004247）

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.