基于薄层二硫化铼的超高响应率光电探测器

自2004年石墨烯被发现以来,二维材料已成为近十余年的研究热点。2011年开始被广泛关注的过渡金属硫族化合物是具有合适带隙的半导体型二维材料,在电子与光电器件应用等方面展现出巨大潜力,为后摩尔时代集成化电子器件的研究开辟了新的方向。作为一类特殊的过渡金属硫族化合物,二硫化铼(ReS2)具有低晶格对称性和弱层间耦合的特性,从而表现出与其他过渡金属硫族化合物不同的物理性质,例如各向异性以及在多层样品中保持直接带隙。而其中多层直接带隙这一特性预示ReS2可能在高性能光电探测器件领域有重要的应用前景。

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南京大学缪峰教授课题组在前期发现的ReS2各向异性等一系列成果基础上,最近利用机械解理法以及二维材料定向转移法得到了多层ReS2与氮化硼的高质量范德瓦尔斯异质结构,并利用微纳加工方法制备了基于多层ReS2的高性能光电晶体管器件。在可见光波段的激光照射下,ReS2光电探测器表现出优异的性能,光电响应率高达88600 A/W,比之前报道的结果高出了5000倍。这一数值在所有类似结构的二维材料光电器件中是最高的,是单层MoS2光电探测器的100倍。如此高的光电响应率可通过多层ReS2中较高的光吸收以及有效的增益机制来解释,其中增益机制来自于ReS2中的缺陷态,该机制也得到器件电子输运机制研究结果的证实。基于ReS2的高性能光电探测器件因为其超高的响应率,可能会在微弱信号探测领域有着重要的应用,该项工作最后还利用打火机及日光灯作为微弱光源成功实现了简单的演示。相关结果发表在 Advanced  Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201504408)