Advanced Materials Interfaces:硅基异质集成二维材料光电探测

在本工作中,我们介绍了一种由掺杂铒的WS2二维纳米片制成的新型纳米结构材料。在二维材料中掺杂稀土元素,通过引入稀土离子的精细能级频谱特性,是改善二维材料光学性能的有效策略。这种方法为利用这些材料作为传感元件提高光吸收性能和提高光电探测器的灵敏度奠定了基础。此外,二维材料也有望有助于改善客体稀土离子的吸收和发射特性,与其他块体材料相比,嵌入WS2层的客体稀土离子有望具有更弱的退相干性,在量子信息和量子通信应用方面的开发具有丰富的前景。

暨南大学杨先光与国内外合作者在硅衬底上集成兼具上/下转换光致发光的掺杂铒WS2杂化体,其在弱光功率为4.4 µW的情况下,响应率为39.8 mA/W,探测率为2.79 × 10^10 Jones,十分有利于980 nm红外光探测,实验证实稀土掺杂作为增强二维光电器件特性的稳健策略。

本研究首先通过磁控溅射Er和W在Si衬底上形成W:Er薄膜,然后硫化成WS2:Er纳米片,成功合成了Er掺杂WS2二维纳米片。这种新材料通过可见(下转换)和近红外(上转换)激发获得可见光范围内的光发射。有趣的是,实现了一种基于WS2:Er/Si异质结的红外光电探测器件,在980 nm处显示了出色的光响应和探测能力,以及较低的暗电流和噪声功率密度。与未掺杂的WS2纳米片制备的原始器件相比,这些性能得到了显著改善,从而支持了稀土掺杂作为增强基于二维材料的光电器件特性的有效策略的重要性。

总之,我们的研究结果为新一代灵敏度更高的红外光敏探测器和继承稀土掺杂独特光学特性的新一代层状材料提供了前期基础和可能方案。

暨南大学杨先光副教授(Leading Contact)和意大利比萨大学物理系系主任Dario Pisignano教授、Andrea Camposeo教授等共同完成。论文第一作者为李求果讲师(Huizhou University),获中山大学理学学士(2012)和工学博士(2017)学位。

论文信息:

Erbium-Doped WS2 with Down- and Up-Conversion Photoluminescence Integrated on Silicon for Heterojunction Infrared Photodetection

Qiuguo Li, Hao Rao, Haijuan Mei, Zhengting Zhao, Weiping Gong*, Andrea Camposeo, Dario Pisignano, Xianguang Yang*

Advanced Materials Interfaces

DOI: 10.1002/admi.202201175

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.202201175

期刊介绍

Advanced Materials Interfaces

期刊收录有关界面和表面相关的应用研究,旨在推动对界面过程的理解。由于固、液、气体界面现象在几乎所有材料和器件中至关重要,该期刊收录范围广泛,涵盖物理、化学、材料科学、生命科学及跨学科综合。最新影响因子为6.389。