西工大新聞網(wǎng)8月3日電（段然)近期，西北工業(yè)大學(xué)齊衛(wèi)宏教授與中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理所劉維民院士合作研究發(fā)現(xiàn)，鎳納米顆粒修飾缺陷二硫化鉬能夠形成光門控效應(yīng)，可顯著改善器件的紅外光電探測(cè)性能。該發(fā)現(xiàn)可用于揭示非表面等離子體共振效應(yīng)的金屬納米顆粒與半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)的載流子傳輸特性。相關(guān)研究成果以“A High Performance MoS2-Based Visible-Near Infrared Photodetector from Gateless Photogating Effect induced by Nickel Nanoparticles”為題發(fā)表在國(guó)際知名刊物《Research》上。
紅外光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、遙感、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域，而二維材料被認(rèn)為是構(gòu)建下一代紅外光電探測(cè)器的熱門候選材料。其中，二硫化鉬作為最具代表性的二維材料之一，擁有許多優(yōu)秀的特性，使得其在紅外光電探測(cè)領(lǐng)域受到了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。二硫化鉬由于較大的帶隙（1.2~1.8eV），在可見光波段已展示出了優(yōu)越的光電探測(cè)性能，但在紅外波段工作時(shí)的性能較差，這限制了二硫化鉬的進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)二硫化鉬帶隙較大的問題，許多團(tuán)隊(duì)采用缺陷工程引入缺陷能級(jí)來減小帶隙，但是缺陷能級(jí)會(huì)捕獲電子，導(dǎo)致電子和空穴持續(xù)在缺陷能級(jí)處復(fù)合，增大暗電流，降低器件靈敏度和響應(yīng)速度，損害器件的綜合性能。因此，如何改善缺陷工程的不良影響是二硫化鉬應(yīng)用于紅外光電探測(cè)器中的一個(gè)瓶頸問題。
齊衛(wèi)宏教授與劉維民院士發(fā)現(xiàn)通過鎳納米顆粒修飾使電子在鎳納米顆粒中積累，減少電子與空穴在缺陷能級(jí)中的復(fù)合，且積累電子在鎳納米顆粒也會(huì)影響溝道中的載流子傳輸特性（光門控效應(yīng)），增強(qiáng)了二硫化鉬對(duì)空穴的導(dǎo)電能力，從而改善引入缺陷能級(jí)導(dǎo)致的不良影響，最終實(shí)現(xiàn)了器件在近紅外光電探測(cè)性能的大幅提升。
研究人員通過氫氣退火的方法在多層的二硫化鉬表面引入了硫空位缺陷并生長(zhǎng)了鎳納米顆粒，并以僅引入硫空位缺陷的二硫化鉬作為對(duì)照組。在對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行了測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)器件展現(xiàn)出了截然不同的伏安特性曲線（圖1），對(duì)照組器件表現(xiàn)出了以電子為多子的載流子傳輸特性，而實(shí)驗(yàn)組則表現(xiàn)出了以空穴為多子的載流子傳輸特性。此外，實(shí)驗(yàn)組在保持暗電流未明顯增大同時(shí)，光電流有了大幅提升。在980 nm光源輻照下，鎳納米顆粒修飾前后的響應(yīng)度和探測(cè)率由0.15 A·W-1和1.1×109Jones提升至1.38 A·W-1和8.9×109Jones。
圖1（A,C）二硫化鉬的伏安特性曲線；（B,D）鎳/二硫化鉬的伏安特性曲線
研究人員進(jìn)一步揭示了鎳納米顆粒修飾調(diào)控二硫化鉬載流子傳輸行為的具體機(jī)制。在鎳納米顆粒與二硫化鉬形成接觸后，界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)，在能帶結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為二硫化鉬的能帶發(fā)生“彎折”，產(chǎn)生光生電子后，電子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向鎳進(jìn)行移動(dòng)，即光伏效應(yīng)。同時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)也阻止電子重新回到二硫化鉬中，因而在鎳中積累，且積累電子的鎳納米顆粒會(huì)導(dǎo)致光門控效應(yīng)，這使得溝道中的空穴導(dǎo)電性得到增強(qiáng)（圖2）。由于硫空位導(dǎo)致的缺陷能級(jí)僅捕獲電子，轉(zhuǎn)變?yōu)榭昭▽?dǎo)電可以使器件中載流子在傳輸過程中不易受到缺陷能級(jí)的影響。此外，這種機(jī)制也使得空穴和電子的復(fù)合減少，在光響應(yīng)時(shí)更易達(dá)到穩(wěn)態(tài)。測(cè)試結(jié)果也顯示，修飾后器件的響應(yīng)時(shí)間由120.1ms降低為50.3ms。
圖2（A）二硫化鉬器件的能帶結(jié)構(gòu)；（B）鎳/二硫化鉬和相應(yīng)器件的能帶結(jié)構(gòu)；（C）鎳/二硫化鉬工作條件下的示意圖
該研究提出了一種改善缺陷工程的有效策略。缺陷工程提升了二硫化鉬在紅外探測(cè)中的應(yīng)用范圍，賦予了二硫化鉬更多的可能性，因此缺陷工程的優(yōu)化至關(guān)重要。基于鎳納米顆粒修飾來改變二硫化鉬中的載流子傳輸行為是一種另辟蹊徑的策略，在不改變?nèi)毕荻蚧f帶隙的前提下，通過鎳納米顆粒規(guī)避了缺陷能級(jí)的不利影響，基于納米顆粒導(dǎo)致的光門控效應(yīng)改善溝道中的空穴導(dǎo)電性，有效加快了器件的響應(yīng)速度并提升了器件性能。該研究提出的策略和相應(yīng)機(jī)制具有普適性，為高性能紅外探測(cè)器的材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。
論文的第一作者為西工大材料學(xué)院博士研究生段然，通訊作者為齊衛(wèi)宏教授和劉維民院士。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室開放課題的支持。
（審核：蔡利劍）
