Advanced Functional Materials:二维开罗五边形PdPS——具有优秀光电性能的空气稳定各向异性三元半导体

二维材料在纳米电子和光电器件方面具备巨大潜力。用来构建此类器件的理想二维材料需具备三个条件:可调带隙、高载流子迁移率、较好的空气稳定性。然而,大部分的二维材料只能满足其中的一个或两个条件。例如,石墨烯与黑磷都表现出极高的载流子迁移率,但是石墨烯的零带隙和黑磷较低的稳定性,这限制了他们在纳米电子学与光电器件方面的应用。因此,有必要探索新的二维材料体系。

最近,新加坡南洋理工大学Liu Zheng 教授课题组报道了基于组分融合拓扑概念,由开罗五边形堆积而成的新型二维半导体PdPS。PdPS表现出优异的电学以及光电性能(650 nm光源):高电子迁移率≈208 cm2 V−1 s-1,高开关比≈108,高光响应率5.2 × 104 A W−1、光增益1.0 × 105,以及极高探测率1.0 × 1013 Jones。特别重要的是,这种优异的褶皱五边形原子结构赋予了PdPS较大的载流子迁移率各向异性比与光电流各向异性比,分别高达3.9与2.3。这些优异的性能使得二维开罗五边形PdPS半导体在纳米电子学、光电子学、偏振纳米电子学中具有巨大潜力。

PdPS单晶通过化学气相传输(CVT)方法合成,尺寸可达5mm×1mm。EDX图谱表明PdPS比例约为1.09:1.05:1。粉末XRD数据确定了确定了其结构。

【图1】PdPS半导体晶体结构,以及表征数据。a)沿c轴方向的PdPS结构图。b)PdPS晶体的亚层结构,一个Pd原子与两个P原子以及两个S原子结合形成准平面四边形,产生两类五边形环。c)块体PdPS晶体合成CVT示意图。d)块体PdPS晶体光学照片。e)块体PdPS晶体的SEM图谱与EDX图谱。f)PdPS的粉末XRD图。

PdPS单层可以通过机械剥离获得。经原子力显微镜(AFM)测试表明其单层厚度约0.8nm。扫描隧道显微镜(STEM)确认了其褶皱五边形结构。快速傅里叶变换(FFT)确认了剥离的PdPS的高度结晶性。根据原子分辨率(HRSTEM)图,(020)与(002)面的层间距分别为2.84和2.85Å,对应着晶胞参数b≈5.68 Å和c≈5.70 Å,说明了生长的PdPS晶体结构与模拟的高度一致性。此外,EDX图谱也表明剥离的PdPS薄片中Pd、P、S元素分布均匀性。

【图2】剥离的PdPS薄片的AFM与STEM图。a)剥离的PdPS薄片的AFM图。b)剥离的PdPS薄片的厚度。c)少层PdPS薄片的低倍STEM图。d)少层PdPS的HRSTEM。e)少层PdPS的原子级分辨率的STEM图。f)少层PdPS的EDX图。

PdPS样品的Raman峰P1(68cm-1)、P4(447cm-1)、P5(487cm-1)随着PdPS厚度的降低而出现蓝移。并且单层PdPS的部分Raman峰几乎消失。这种现象可以归因于光学干涉与吸收能力的层数依赖性以及原子级薄的PdPS的弱声子振动模式。此外,Pd原子的d轨道、P和S原子的p轨道的杂化会引起强烈的层间耦合作用,这也影响Raman峰的表现。PdPS纳米片在空气中532K温度下烘烤30 min后的Raman光谱与新剥离的PdPS的Raman光谱对比,几乎无差别,这可以看出PdPS纳米片具有极好的空气稳定性。PdPS由于具有低对称性五边形结构,角度分辨率偏振Raman光谱用来表现PdPS的光学各向异性。特别是PdPS纳米片的P6(162cm–1),P3(387cm–1),与P5(487cm–1)Raman峰显示出明显的各向异性。

【图3】PdPS样品的层数依赖以及角度分辨率偏振Raman光谱(在平行模式下)。a)PdPS样品的层数依赖Raman光谱。b、c)放大的PdPS晶体层数依赖光谱。d)新鲜的PdPS薄层与在523K空气中加热30min后的P4模式(447cm-1)Raman图谱。e,f)PdPS 纳米片的偏振拉曼强度的假彩色图。g-i)P6(162cm–1),P3(387cm–1),与P5(487cm–1)偏振角函数拉曼峰的极坐标图。

PdPS 场效应晶体管(FET)器件转移特性曲线表明PdPS为n型半导体。通过制备具有十二电极的PdPS器件,对PdPS的电学各向异性进行了研究。随PdPS样品厚度的降低,PdPS器件源电流表现出更加明显的二次轴对称性。同样,电子迁移率也表现出明显的二次轴对称性,各向异性比高达3.9。PdPS具有高电子迁移率≈208 cm2 V−1 s-1,极高开关比≈108,高于其他2D材料。

【图4】剥离的PdPS薄片的电学性能。a)基于PdPS的FET器件光学图。b)少层PdPS器件的转移曲线。c)Ids源电流-Vds电压特性。d)具有十二电极的PdPS器件示意图。e)角度依赖转移曲线。f)角度依赖源电流极坐标图。g)角度依赖源电流极坐标图。h)基于6.7 nm PdPS样品的器件的角度依赖源电流极坐标图。i)PdPS与其他二维材料的电学性能对比图。

由于PdPS优良的电学性能,Liu Zheng教授课题组研究了在650 nm与405 nm激光下的PdPS光电探测器的光电性能。在650 nm激光下,器件的光响应率为5.2×104 A W−1,光增益为1.0×105,探测率高达1.0×1013 Jones,比得上很多基于其他2D半导体的光电探测器。PdPS探测器的优异的光电性能可以归因于光闸效应。此外,也对PdPS探测器的光电各项异性进行了研究。不同厚度的PdPS探测器的光电流皆表现出二重对称性,光电流各向异性比高达2.3(650 nm激光下)。

【图5】少层PdPS薄片光电性能。a)基于少层PdPS薄片的光电探测器示意图。b)基于少层PdPS的光电探测器在650nm的激光下的转移特性曲线。c)650 nm激光下的光响应率的背栅依赖性。d-f)在650nm与405nm激光下光响应、光增益、探测率与激光功率密度关系图。g)650 nm的激光下光电探测器的光响应与时间的关系。h,i)基于13 nm与6.7 nm的PdPS探测器的光电流角度依赖性。

总之,PdPS由于其独特的开罗五边形结构,而拥有优异的电学与光电性能,在光学、电学、光电方面表现出强烈的各向异性,并具有良好的空气稳定性。这些优异的性能使得PdPS在纳米电子学、光电子学、偏振纳米电子学上具有巨大潜在价值。

论文信息:

2D Cairo Pentagonal PdPS: Air-Stable Anisotropic Ternary Semiconductor with High Optoelectronic Performance

Ruihuan Duan, Yanchao He, Chao Zhu, Xiaowei Wang, Chao Zhu, Xiaoxu Zhao, Zhonghan

Zhang, Qingsheng Zeng, Ya Deng, Manzhang Xu, Zheng Liu*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202113255

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113255