王泽高AFM：通过调控二维材料p-n结的光-物质作用实现高性能宽带光探测
▲第一作者：李芳
通讯作者：王泽高
通讯单位：四川大学材料科学与工程学院
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202104367
01
背景
二维原子晶体材料，特别是过渡金属硫属化合物(TMDCs)，由于其原子级厚度、高载流子迁移率和可调电子结构，表现出丰富的物理性能，近几年来被广泛认为是后摩尔时代的重要电子材料之一。特别是其抑制短沟道效应、低内禀载流子浓度的特点，使其在新型逻辑器件、高性能红外探测等领域受到广泛重视。然而，由于硫族元素高分压导致的非金属缺陷，TMDCs通常表现出n型导电特性。
02
研究的问题
基于以上背景，本文通过直接硫化法制备了原子层厚度的四方相PtS半导体薄膜，对其电输运性质及接触电极性质进行研究揭示其p型半导特性，丰富了p型二维原子晶体种类。在此基础上，构筑了PtS/MoS2 p-n结光电晶体管，研究了异质结内建电势及外场调控的光电探测，表现出宽带、高探测率的优异光电探测性能。耦合外电场与光场，展示了材料光-物质作用的调控机制，实现了外量子效率及光生载流子寿命的调控。
▲图1. 在650℃下生长的PtS的表面形貌和原子结构分析 a) Si/SiO2衬底上PtS膜的光学显微镜图像；插图显示了不同生长温度(450 ~ 850 ℃)得到的PtS的拉曼光谱。b) Pt 4f和S 2p的XPS谱。c) PtS的AFM形貌图，插图为粗糙度与生长温度的关系。d) PtS薄膜的低倍TEM图像。e) PtS薄膜的高分辨率TEM图像。f) PtS薄膜的低通滤波原子图，插图为选区电子衍射图。
▲图 2. PtS 薄膜的电学性能. a) PtS晶体管的转移曲线，插图为不同栅压下的输出曲线。b) 650 ℃生长的PtS的变温(257 K~397 K)转移曲线。c) 肖特基势垒与栅压的关系曲线; 插图为p-PtS/Ti肖特基结的能带示意图。
▲图 3. MoS2/PtS 异质结的电学结构. a, b) MoS2/PtS异质结的AFM高度和电势图。c) 图(b)中沿绿色线的表面电势。d) MoS2/PtS异质结能带示意图。
▲图 4. MoS2/PtS 异质结晶体管的光电性能。 a-c) 光电晶体管在400 nm, 700 nm 和 900 nm 下的转移曲线。源漏电压为 5 V. d) 400 nm下响应度随栅压的变化曲线 e) 栅压 20 V处不同波长最大功率下的响应度和比探测率直方图。
▲图 5. 源漏电流与功率密度间的关系(Isd∝Pθ). a) 400 nm光照时不同栅压下源漏电流与功率密度的函数关系。b) 不同波长下的θ与栅压的关系曲线。
▲图 6. 基于MoS2/PtS 异质结的光探测器的响应速度. a) 400 nm光照时，MoS2/PtS异质结在不同栅压下的时间分辨光响应。不同波长下的上升(b) 、下降(c)时间随栅压的变化关系。d)光照下MoS2/PtS 光电探测器的能带结构示意图。e) MoS2/PtS光电探测器在负(Vg < 0 V, left panel)、正(Vg > 0 V, right panel)栅压下的能带结构示意图。
▲图 7. 光谱选择性和响应. 不同栅压下，300~1600 nm的响应度(a)和比探测率(b)的等高线图。
03
结语
综上所述，我们通过直接硫化法制备了一种新型的p型PtS薄膜，并制备了基于MoS2/PtS p-n结的背栅型光电晶体管。这种光电晶体管表现出从可见光到红外光波段的宽带灵敏度。通过调节栅极电压，我们研究了在通态时光电流产生的机理，photogating效应在通态时占主导地位，并随着栅压的增加而增强。然而，由于MoS2/PtS薄膜中陷阱态的数量有限，栅压增加到20 V之后光响应不再增强。该器件在400 nm光照下的响应度可达25.43 A W-1，探测率高达8.54×1012 Jones。
04
课题组介绍
王泽高，四川大学特聘研究员、博士生导师，四川大学百人计划，四川省特聘专家，四川省学术与技术带头人后备人选，于2014年获工学博士学位，随后在丹麦奥胡斯大学交叉多学科纳米科学中心进行博士后工作，于2018年入职四川大学材料科学与工程学院，担任正高级特聘研究员。课题组主要从事二维材料，如石墨烯、二硫化钼等新型电子信息材料的可控制备、元器件构筑以及表面界面研究，已在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等期刊发表150余篇论文，获得15项授权发明专利，主持国家自然基金、教育部科技项目及省重点项目等项目。
