深圳大學張晗、郭志男&紐約州立大學布法羅分校Paras N. Prasad Adv. Sci.:基于石墨烯隔離層的納米二維范德華力異質結構的光電探測器

tt 2年前 (2021-06-19) 3011瀏覽

【引言】

具有納米可操作界面的原子層2D材料由于其出色的機械、電學和光電特性而在高性能光電檢測應用中具有很大的吸引力。可以在不考慮晶格失配的情況下通過范德華（vdW）力將不同2D材料組合為2D異質結構。這種方法擴展了基于2D材料的光電器件在實際應用中的設計策略。基于二維vdW異質結的光電探測器在原子尺度上的性能比常規本體異質結對異質結的納米界面更為敏感。在納米級異質結界面上觀察到了p-n型vdW異質結中的層間重組。當多數載流子的濃度差異較大時，間接復合成為重組的主要機制，其起源于異質結界面處的缺陷/陷阱狀態。因此，二維vdW異質結中的缺陷/陷阱狀態是限制光檢測性能進一步提高的重要原因。

【成果簡介】

????????由于2D材料具有獨特的電子和光電特性，因此在基于2D范德華力異質結構的光電探測器中獲得了巨大的成功。與常規的本體異質結相比，基于光電探測器的2D vdW異質結在原子尺度上的性能對異質結的納米界面更敏感。深圳大學張晗、郭志男&紐約州立大學布法羅分校Paras N. Prasad展示了一種納米異質結構：作者在黑磷（BP）和InSe之間插入石墨烯層的納米界面，該層抑制層間復合并大大提高了光檢測性能。此外，器件的傳輸特性由石墨烯引起，從少數載流子的擴散運動到多數載流子的漂移運動。這兩個原因加上內部的光發射效應，使得基于BP/G/InSe的光電探測器在室溫下具有超高的特異性。結果表明，高性能的vdW異質結構光電探測器可通過對異質結界面進行納米級的簡單結構操作來實現。該成果以題為“Repression of Interlayer Recombination by Graphene Generates a Sensitive Nanostructured 2D vdW Heterostructure Based Photodetector”發表在Adv. Sci.上。

【圖文導讀】

圖1.BP/G/InSe vdW異質結的結構和傳輸行為

a）BP/G/InSe光電探測器的截面結構示意圖?b）設備的AFM圖像 c）器件的BP，G和InSe重疊部分的拉曼光譜 d）BP/InSe和BP/G/InSe器件的輸出曲線表明，插入G后BP/G/InSe的整流方向反向，并且其正向電流增加 e）接觸前BP，G和InSe的能帶圖 f）BP/G/InSe設備的傳遞曲線

圖2.BP/G/InSe異質結中的層間電荷轉移

a-c）InSe，BP和BP/G/InSe異質結構的瞬態吸收光譜 d）從獨立的InSe和BP/G/InSe異質結構獲得的InSe PIA信號的測試和擬合結果 e）從單獨的BP和BP/G/InSe異質結構獲得的BP PIA信號的測試和擬合結果 f）BP/G/InSe異質結構中電荷轉移的示意圖

圖3.BP/G/InSe設備的光響應性能

a）在低照明功率下與波長有關的R和EQE值 b）紅點：在Vds = 1V，Vg = 0 V時，不同波長的激光照射的D*曲線。藍點：在Vds = 1V，Vg = 0 V時，不同波長的激光照射的光電流/暗電流比曲線。 c）在Vds = 0.5 V，Vg = 0 V的不同波長的激光照射下，光電流和暗電流曲線的時間依賴性 d）在不同波長的各種光功率下的光電流

圖4.BP/G/InSe設備中的內部光發射效應

a）具有Au電極和Cr電極的InSe-FET器件在2000 nm激光照射下的Id–Vd曲線 b）對應于2000 nm激光激發的光響應示意圖

【小結】

文章證明了簡單的納米結構，可以操縱BP和InSe之間的納米界面上光生載流子的層間重組動力學，從而實現具有靈敏光電檢測性能的2D BP/G/InSe vdW異質結構。G的插入將器件的傳輸特性從少數載流子的擴散（p-n型）改變為多數載流子的漂移運動（肖特基型），從而提高了光電檢測性能。這個設備的D*在室溫下在532和2000 nm的激發波長下分別高達3.19×1015和3.44×1014?Jones。如此高的光電檢測性能比當前最先進的2D異質結構器件有了顯著進步，對于靈敏的光電檢測（尤其是IR范圍）尤其有希望。石墨烯對異質結界面的有效結構操縱提供了一種簡單的方法來設計未來的基于2d vdW異質結構的光電器件。。

文獻鏈接：Repression of Interlayer Recombination by Graphene Generates a Sensitive Nanostructured 2D vdW Heterostructure Based Photodetector. Adv. Sci., 2021, DOI:10.1002/advs.202100503

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?

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