基于 MoS?的高性能紅外光檢測器的光誘導(dǎo)效應(yīng)

近日，西北工業(yè)大學(xué)齊衛(wèi)紅教授和中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所劉偉民院士研究發(fā)現(xiàn)，納米鎳粒子修飾缺陷二硫化鉬可形成光ogating效應(yīng)，從而大大提高器件的紅外光探測性能。

這一發(fā)現(xiàn)可用于揭示由金屬納米粒子和半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)的載流子傳輸特性，而不會產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)。該研究成果發(fā)表在《研究》（Research）雜志上，題為 "從鎳納米粒子誘導(dǎo)的無門光電效應(yīng)看基于MoS2的高性能可見光-近紅外光電探測器"。

光電探測器廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、遙感和生物醫(yī)學(xué)成像。二硫化鉬（MoS2）是一種具有代表性的二維過渡金屬二鹵化物，它具有許多吸引人的特性，使 MoS2 成為下一代光電設(shè)備的理想候選材料。然而，MoS2 相對較大的帶隙限制了其在近紅外波段的光電應(yīng)用。

缺陷工程（如引入 S 空位）為設(shè)計(jì)具有寬帶光電探測功能的基于 MoS2 的器件提供了廣闊的前景。

然而，S 空位引入的缺陷水平會導(dǎo)致光生載流子容易被缺陷態(tài)捕獲，從而導(dǎo)致響應(yīng)速度慢、靈敏度低，影響性能。經(jīng)過鎳納米粒子裝飾后，光電探測器的響應(yīng)度和檢測度分別從 0.15 A-W-1 和 1.1×109 Jones 提高到 1.38 A-W-1 和 8.9×109 Jones。

在Ar/H2（95%/5%）氣流的管式爐中，通過氫還原將S空位和Ni NPs同時引入多層MoS2。此外，在還原氣氛中退火的多層 MoS2 晶體不含納米鎳粒子，以此作為對比。在黑暗和光照條件下，制備的光電探測器（Ni/MoS2）和對比光電探測器（MoS2）具有不同的電流電壓（I-V）特性。

(A) 負(fù)電壓下 MoS2 器件的能帶圖，(B) 正電壓下 Ni/MoS2 器件的能帶圖以及 Ni NP 和 MoS2 的放大能帶結(jié)構(gòu)；(C) 光照下 Ni/MoS2 器件的傳輸行為示意圖。來源：Research

在 MoS2 器件中，電子占絕大多數(shù)，而在 Ni/MoS2 器件中，空穴占絕大多數(shù)。Ni/MoS2 器件的光電流大大提高，而暗電流幾乎保持不變。

根據(jù)所展示的能帶結(jié)構(gòu)圖，揭示了鎳納米粒子的效應(yīng)。鎳納米粒子裝飾后，MoS2 和鎳形成內(nèi)置電場，使電子流入鎳納米粒子，即光電效應(yīng)。流入鎳納米粒子的電子會導(dǎo)致 MoS2 中的電子耗盡，并產(chǎn)生光ogating 效應(yīng)（柵極電壓＜0），從而增強(qiáng)溝道中的電導(dǎo)，避免缺陷水平的不利影響。

此外，Ni/MoS2 器件更容易達(dá)到電子流入 Ni 納米粒子的平衡狀態(tài)，因?yàn)檫@種行為大大減少了電子在缺陷水平上的重組。

本研究提出了優(yōu)化缺陷工程的有效策略。缺陷工程可以拓寬 MoS2 的光探測范圍，尤其是在紅外范圍。解決缺陷工程問題可以促進(jìn) MoS2 在紅外光探測器中的應(yīng)用。這一策略提供了一種創(chuàng)造性策略，可避免在引入缺陷水平以減小帶隙時缺陷工程的不利影響。

電子在鎳納米粒子中聚集，導(dǎo)致電子耗竭和光ogating效應(yīng)。因此，鎳納米粒子裝飾可以加快響應(yīng)速度，提高光電探測器的性能。作者認(rèn)為，這種策略和相應(yīng)的機(jī)制可以為光電探測器的設(shè)計(jì)提供新的見解，并為類似系統(tǒng)的研究提供參考。

該研究發(fā)表于《科研》雜志。齊衛(wèi)紅博士是材料科學(xué)領(lǐng)域的正教授，主要從事二維材料和計(jì)算材料的研究。劉偉民教授是中國科學(xué)院院士和世界科學(xué)院院士。他的研究興趣包括潤滑材料和空間摩擦學(xué)。目前，他擔(dān)任《國際摩擦學(xué)》聯(lián)合主編和《中國摩擦學(xué)雜志》主編。

參考資料

Ran Duan et al, A High-Performance MoS2 -Based Visible–Near-Infrared Photodetector from Gateless Photogating Effect Induced by Nickel Nanoparticles, Research (2023). DOI: 10.34133/research.0195