基于零维硫化铅量子点与二维二硒化钨纳米片协同效应的高性能宽光谱光电场效应晶体管

近年来,伴随石墨烯研究发展而来的二维过渡金属硫属化合物(TMD)因其天然的半导体性,原子级的材料维度、超高的载流子传输能力等物理属性而成为当前光电子领域的研究热点。基于TMD的各类新颖器件被广泛地应用于电子、光电、传感等领域。作为一类典型的p型二维材料,二硒化钨拥有达到350 cm−1 V−1 s−1的高迁移率以及1.6 eV的合适带隙,是制备高灵敏光电探测器的理想材料。最近,基于二硒化钨纳米片的光电探测器被广泛报道,然而由于其较弱的光吸收和较窄的光谱响应范围,导致其光响应率不理想(0.02 –7 AW–1),严重限制了其在微弱光电信号探测领域的应用。另一方面,低成本硫化铅量子点由于其极强的光吸收能力、溶液加工特性和可调的光响应特性被认为是柔性光电器件的明星候选材料,其被广泛地应用于近红外探测、光伏和光谱分析。美中不足的是硫化铅量子点光电探测器的响应率被其本身的低载流子迁移率所限制,阻碍了其在光电探测领域的广泛应用。

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基于以上两类器件的长期研究和积累,结合当前零维-二维杂化器件的研究现状,华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)宋海胜和唐江教授研究团队巧妙利用了二硒化钨和硫化铅量子点优越互补特性设计和实现了零维-二维协同工作的高性能光电探测器。这种构建策略将量子点的光吸收特性与二维材料的高迁移率相结合,构建了零维-二维器件结构与type-II的能带结构,器件表现出超高的光响应度,达到了2×105 A/W,比单立材料制成的对应器件响应率高出了4个数量级。高响应率产生机制被证实来源于光致栅控效应。硫化铅量子点能够高效吸收入射光子,并将光生空穴注入到二硒化钨导电沟道,而光生电子被俘获在硫化铅量子点层,延长了光生载流子寿命,从而对二硒化钨起到光电导调控作用;同时,由于二硒化钨的高迁移率,大大减少了光生载流子在导电沟道的渡越时间,提高了器件的增益。与已报道的类似(零维-二维)结构的器件相比,该器件表现出更低的暗电流与更高的开关比;在整个栅控电压范围内,不论是开态还是关态,该器件都可正常工作。研制的零维-二维杂化器件在表现出高响应度的同时也拥有高的比探测率(7×1013 Jones)和快速的响应速度(7 ms);由于量子点的光敏特性,其光谱响应范围也相应拓宽到近红外范围,实现紫外到近红外的宽光谱探测。以上系列核心优势使其在光电探测领域有着巨大的应用前景。该项研究不仅为高性能光电探测器的研制提供了新思路,也为光电探测领域丰富了材料的选择性,拓宽了器件的应用范围。本论文已在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201603605)上。

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