Advanced Functional Materials:用于搭建高性能p-n异质结光电器件的新型p型半导体-Cu9S5

基于二维材料的p-n异质结光电探测器具有良好的应用前景。它不仅具有传统二极管光电探测器的优点:低暗电流导致的高光开关比和探测度,而且由于其二维尺度与现有的半导体加工技术相契合,是设计新型器件的理想平台。但是由于p-n结光电探测器缺乏高效的光电增益机制,因此通常器件的量子效率不高,响应度偏低。为了解决这一问题,华中科技大学材料科学与工程学院翟天佑课题组利用加盐辅助的化学气相沉积法,成功在云母衬底上利用范德华外延生长出Cu9S5纳米薄片。

Cu9S5是具有高光吸收系数的直接带隙半导体,且由于Cu离子的自发缺失导致高空穴浓度的掺杂,因此导电性能较好。根据传统的半导体理论,高空穴掺杂浓度可以有效提升p-n异质结耗尽层中的电场强度,从而改善光生载流子的分离效率,所以采用典型的n型材料MoS2搭建的二维Cu9S5/ MoS2异质结具有高量子效率与响应度(76 A W-1)。而载流子的快速分离也使得器件具有优异的光响应速度(2 ms)。这些结果表明Cu9S5在p-n结光电探测器领域具有较好的应用前景。

值得一提的是Cu9S5隶属于Cu2-xS(0<x<1),而Cu2-xS是具有多种相和化学计量比的p型半导体体系,其多样的能带结构对目前相对稀少的p型半导体将是一个有益的补充。但是由于Cu2-xS是非范德华结构而倾向于各向同性生长,因此二维Cu2-xS纳米片在光电领域的研究还有待发掘。我们相信通过对Cu9S5从合成、表征到光探性能的系统研究以及对电学输运、光电响应物理机制的分析,为引入Cu2-xS到这一领域奠定了基础。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201908382)上。