化学气相沉积法制备大尺寸超薄SnS2纳米片及高性能光探测器的构筑

二维层状半导体材料近十年来已在能源、微电子、光学以及光电子器件等领域受到广泛关注。作为二维Ⅳ-Ⅵ族的重要成员,二硫化锡(SnS2)不仅具有与MoS2相似的层状结构,还具有低成本、元素储量丰富、对环境友好等重要优点,因而在近些年迅速引起科研工作者的兴趣,并且已经在场效应晶体管和光探测器件中显示出优异的性能。然而,与制备工艺相对成熟的过渡金属硫属化合物相比,SnS2纳米片目前主要通过液相法和机械剥离法得到。这两种方法都难以实现材料的大尺寸以及均匀化,无法与现代器件集成化工艺相兼容。化学气相沉积由于其在稳定控制产物的形貌,缺陷,结构方面的优势而成为最有望实现与器件集成工艺相兼容的制备大尺寸高质量单晶二维材料的手段。最近也有一些关于气相沉积制备SnS2纳米片的报道,但是采用传统的气相沉积方法依然得不到大尺寸超薄的高质量单晶SnS2纳米片,因而严重阻碍了其在微电子和光电器件方面的进一步应用。

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华中科技大学的翟天佑教授课题组避开了传统的化学气相沉积方法,采用了一种全新的Sn源(SnI2),实现了大尺寸超薄SnS2纳米片(150 μm)的可控制备。他们认为传统的金属氧化物熔点高,反应过程中不容易控制形核,同时低熔点的金属有机物盐虽然熔点低但是生长过程气氛复杂,产物结晶性差并得到的是多晶材料,严重损害其电学以及光电性能。而SnI2熔点很低(~320℃),这有利于形成稳定均匀的生长环境,同时反应过程的副产物碘单质(SnI2 + 2S = SnS2 + I2)是合成高质量单晶的理想载气,因而容易得到大尺寸的超薄单晶SnS2纳米片。以超薄SnS2纳米片为载体构筑的光晶体管在室温下大气中具有较高的响应度(261 A/W)以及较快的响应速度(20 ms)。然后他们更进一步研究了栅压和气体吸附对其光探测性能的影响,并证实了光电导效应在光探测过程中占主导作用,同时由于材料表面吸附的气体分子协助机制,导致器件具有较快的响应和回复速度。最后,他们还构筑了基于SnS2纳米片的柔性光探测器件,并展示出良好的弯折性能。这项研究表明SnS2纳米片在未来光电器件及柔性器件领域有着重要的应用前景。该制备方法还有可能拓展到其它二维材料的大尺寸制备,相关研究工作发表在近期出版的Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201600318)。