Small:高效二硫化钼纳米卷基异质结光电探测器

由于二维材料具有较强的光吸收、带隙可调、层间无悬挂键、柔性等性质,它们被广泛地应用于光电探测器的研究中。研究发现,由于化学气相沉积法所制备的二维材料在生长过程中因材料与衬底的热膨胀系数的不同会在二者之间产生应力,一旦应力通过某种方式释放,便可以使平面二维材料可自组装成为纳米卷结构。相比平面的单层二维材料,自组装的二维材料纳米卷具有更高的电流传输效率和更小的比表面积等优点,使其在环境稳定性提高的同时仍然可保持单层材料的特性。然而,以二硫化钼为代表的过渡金属硫族化合物的纯纳米卷光电探测器却往往具有较大的暗电流和慢至秒量级的响应速度,无法尽如人意。为了满足军事、民用方面的应用需求,光电探测器需要具有低暗电流、高光响应度、高响应速度、宽光谱等特性。目前,基于二维材料纳米卷的光电探测器存在暗电流较大、响应速度慢的问题,极大的限制了二维材料纳米卷基的光电探测器的应用潜能。

近期,北京工业大学材料科学与工程学院张永哲课题组首次根据能带工程设计二硫化钼纳米卷和二硒化钨的二类范德瓦尔斯异质结构,有效地构建了内建电场,从而达到抑制暗电流、增强光生激子分离的效果,并且依旧保留了每种材料单独的优势,大幅提高了纳米卷光电探测器的响应速度,使得器件在光电探测方面表现出较为全面的响应能力,展现了二维材料纳米卷在未来光电子器件领域的应用潜力。研究表明,该器件能够实现5 ms的响应速度,相比于纯纳米卷器件提高了3个数量级,同时表现出了0.3 A/W的高光响应度和75%的外量子效率,在保证光电响应度的同时提高了器件的响应速度,暗电流也被抑制在pA量级。同时,经过与类似厚度、相同材料的平面异质结进行了性能对比,依旧可以表现出更好的响应水平,这也从侧面印证了二维材料纳米卷在光电探测中的发展潜能。

相信此项研究能够在新型的光电子器件领域铺下坚实的台阶,为二维材料在光电探测领域的发展应用书写崭新的一笔。相关的论文发表在Small (DOI:10.1002/smll.201901544) 上,并于当期Back Cover 做了简要的介绍。