武漢大學Sci. Bull. ：二維硒化鉛的范德瓦爾斯外延生長及其高性能異質結器件

研究背景

近年來，非層狀二維材料的出現極大豐富了二維材料體系和拓寬了應用前景。基于非層狀二維材料所制備的光電探測器及其異質結器件也因其優異的光電性能而受到了廣泛關注。合成具有高光吸收系數的半導體材料，提升光電轉化效率，是制備高性能光電探測器的有效策略。另外，構建高性能異質結構器件是發展大規模集成光電應用的關鍵部分，范德華異質結器件可以通過調節二維材料的類型、能帶對齊、不同性質等來進行準確調控，對光電子器件的制備和應用都有著重要意義。因此，合成具有高吸收系數的二維半導體材料和構筑高性能的異質結器件值得探索。

研究概述

有鑒于此，近日，武漢大學物理科學與技術學院何軍教授課題組利用范德瓦爾斯外延技術，通過精確控制生長和溫度，在云母襯底上實現了大尺寸、厚度可調、具有高吸收系數的二維硒化鉛納米片。該工作系統研究了二維硒化鉛的形貌結構、電子能帶結構、電學輸運等特性。基于硒化鉛的光電探測器展現了多波長的光響應，其響應度可達~10³?A/W，探測率可達～2×10¹¹?Jones。更重要的是，基于硒化鉛和二硫化鉬構筑的范德華異質結器件不僅展現了~10⁶的整流比，還具有~3×10³?A/W和~7×10¹²?Jones的響應度和探測率。該工作提出通過范德瓦爾斯外延技術生長策略，為可控制備具有高光吸收系數的二維半導體和構筑高性能異質結器件提供了新的解決方案。相關研究成果以“Van der Waals epitaxial growth of two-dimensional PbSe and its high-performance heterostructure devices”為題發表在著名期刊Science Bulletin?2022年第16期。

圖文概覽

圖1?二維PbSe的形貌與表征

(a)?二維PbSe納米片的范德華外延生長示意圖。(b)?二維PbSe納米片的可控制備。(c) PbSe/Mica界面的STEM圖。(d) PbSe的理論計算能帶結構。(e)?拉曼光譜。(f) XPS圖。(g)?高分辨TEM圖和相應的SAED圖。(h) EDS mapping圖。(i) XRD。

圖2二維PbSe的電學性能表征

(a) 在不同溫度下測量的二維PbSe的I – V曲線。(b) 二維PbSe溫度依賴的電導率。(c) 二維PbSe晶體管的轉移曲線。(d) 二維PbSe納米片溫度依賴的霍爾電阻。

圖3在473 nm和808 nm光照波長下獲得的二維PbSe探測器的光響應特性

(a,b) 473 nm和808 nm光照波長下，二維PbSe探測器的時間依賴的光響應特性。(c) 473 nm和808 nm光照波長下，光電流和功率之間的關系。(d,e) 473 nm和808 nm光照波長下，響應度、探測率和激光功率的關系。(f)?二維PbSe器件與先前報道的二維非層狀材料光電探測器的性能比較。(g)?不同溝道厚度的二維PbSe器件在暗態（虛線）和亮態（實線）狀態下的I – V曲線。(h) 光電流和暗電流和厚度之間的關系。(i) 響應度和探測率和厚度之間的關系。

圖4?PbSe/MoS₂晶體管的電輸運性能

(a) PbSe/MoS₂晶體管示意圖。(b,c) 不同正、負漏極電壓下的I_ds – V_g轉移曲線。(d) 不同柵壓下的I_ds – V_ds輸出曲線。(e) 整流比和柵壓之間的關系。(f) PbSe的?Arrhenius曲線。(g)?不同柵極、漏極電壓下的PbSe/MoS₂異質結能帶示意圖。

圖5?PbSe/MoS₂晶體管的光電特性

(a) 在黑暗和不同激光下，PbSe/MoS₂晶體管的I_ds - V_g曲線。(b) 在不同柵壓下，PbSe/MoS₂晶體管的I - t曲線。(c) 在不同光功率下，響應度與V_g的關系。(d) 在正、負柵壓下，PbSe/MoS₂異質結能帶示意圖。

文章信息：

Jian Jiang, Ruiqing Cheng, Lei Yin, Yao Wen, Hao Wang, Baoxing Zhai,?Chuansheng Liu, Chongxin Shan, Jun He. Van der Waals epitaxial growth of two-dimensional PbSe and its high-performance heterostructure devices. Science Bulletin, 2022, 67(16): 1659-1668, https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.07.005