Advanced Optical Materials:基于二硫化铼的反常宽频光电探测器

由于二维材料自身独特的物理性质,基于二维材料的光电探测器在最近几年被广泛研究和报导。在石墨烯中已经发现了超快的宽频谱光响应,但带隙的缺失导致了较高的暗电流和较弱的光敏感性。黑磷作为一种新型二维材料,其直接带隙存在于任意厚度的薄膜中,因此适用于宽频光电探测器。然而,黑磷在大气环境下的不稳定性限制了其在光电子器件中的实际应用。其他的二维半导体材料虽然具有高稳定性,但是由于其较大的带隙,基于光激发工作模式的光电器件通常被限制在可见光波段中。

为了扩展二维半导体光电探测器的工作范围,新加坡国立大学化学系陈伟课题组以二硫化铼(ReS2)为研究对象,深入探讨了基于测热辐射效应的光响应模式。测热辐射效应指的是材料在吸收光子后,温度变化引起的电导变化。由于测热辐射效应不依赖于能带间的光激发,有可能会引起亚带隙的光响应,从而拓宽响应频谱的范围。相关结果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201901115)上。

在这个工作中,我们首先观测到了反常的受栅极电压调控的光电流极性。当栅极电压为负时,光电流为正,然而当栅极电压变为正时,光电流发生了反向,并且这种现象在任意波长的光照下都是一致的。同时,光响应速率相对于之前的报导提高了3到4个数量级。我们测试了不同厚度的ReS2样品,发现光电流极性随栅极电压的变化是一致的。这种异常的光响应行为与之前报道的石墨烯和黑磷中由测热辐射效应引起的光响应类似,因此,我们通过测试ReS2器件的变温输运性质来验证这一假设。由于金属和半导体的电导对温度的相关性是相反的,我们认为光电流反向的原因是ReS2发生了金属-绝缘体转变。从实验数据中我们观察到,正负光电流和金属-绝缘体的转变都发生在栅极电压大约为0时,因此证明了我们对于测热辐射效应的假设。

另一方面,ReS2测热辐射光电探测器表现出了优异的亚带隙光响应。ReS2的带隙大约为1.5 到1.6 eV,因此,为了排除价带-导带光激发的作用,我们使用红外光源(900nm, 1050nm, 和1200nm)来探究其亚带隙光探测的性能。在所有三种波长照射下,ReS2光电探测器都表现出了优异的灵敏度,达到了低于5 x 10-2 pW Hz-1/2的噪声等效功率和大约1.3 x 1010 Jones的比探测率,和之前报导的基于b-AsP/MoS2异质结和PbS的红外探测器在常温下的性能相当。

研究者相信,这种基于测热辐射效应的二维光电探测器表现出的对宽频谱的高灵敏度,将会为其在全谱光敏传感中的应用提供新的方向。