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蘇州實(shí)驗(yàn)室Fengyuan Xuan、東南大學(xué)Zhenhua Ni和南京郵電大學(xué)Li Gao課題組--基于二維有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的高速光電探測(cè)器
        二維范德華(vdWs)異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器因其獲得可觀的光學(xué)導(dǎo)電性增益和器件可調(diào)性的能力而引起了人們的極大興趣。然而,超薄二維無(wú)機(jī)vdWs器件的光吸收通常較弱,導(dǎo)致探測(cè)性較低。此外,二維半導(dǎo)體的固有缺陷在輸運(yùn)過(guò)程中會(huì)引起明顯的載流子捕獲和缺陷態(tài)散射,嚴(yán)重制約了器件的響應(yīng)速度。本文采用二硫化鉬鎢(Mo0.1W0.9S2)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維半導(dǎo)體,采用N ' -二甲基-3,4,9,10-苝二氧亞胺(Me-PTCDI),器件的光吸收效率顯著提高,實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)和高探測(cè)率。系統(tǒng)地研究了基于Me-PTCDI和Mo0.1W0.9S2的ii型有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器。特別是,采用單層(ML) Me-PTCDI和多層(FL)Mo0.1W0.9S2的器件,探測(cè)率高達(dá)4.4 × 1011 Jones,響應(yīng)時(shí)間為24.9µs。利用該器件作為光傳感像素,展示了高精度的單探測(cè)像素成像系統(tǒng),在快速成像應(yīng)用中具有廣闊的前景。
 
 
圖1. 二維Me-PTCDI/Mo0.1W0.9S2 vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與表征a) Mo0.1W0.9S2和Me-PTCDI的平面結(jié)構(gòu)及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的疊加構(gòu)型;b、c) ML Me-PTCDI/FL Mo0.1W0.9S2異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品的光學(xué)顯微鏡和PL圖,其中Mo0.1W0.9S2和Me-PTCDI用虛線(xiàn)標(biāo)記。ML - Me-PTCDI區(qū)域的綠色是由于PL熒光(激發(fā)波長(zhǎng):450 nm)。比例尺:10µm;d,e) ML Me-PTCDI、FL Mo0.1W0.9S2的PL熒光光譜和拉曼光譜,以及同一樣品在室溫下的雜化異質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū);
f)二維Me-PTCDI/Mo0.1W0.9S2 vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)。
 
 
圖2. 介紹了二維Me-PTCDI/Mo0.1W0.9S2 vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的電學(xué)和光電性能。a) Me-PTCDI/Mo0.1W0.9S2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器原理圖;b)各Vds下器件的Vg-Ids傳遞曲線(xiàn);c)各Vg下器件的Vds-Ids輸出曲線(xiàn);d)測(cè)量到光電流的上升(τr)和下降(τf)時(shí)間分別為27.1µs和24.9µs,上升和下降曲線(xiàn)(藍(lán)色)用指數(shù)函數(shù)(紅色)擬合得很好;e) 633 nm照明下光電流與光強(qiáng)的關(guān)系;f)通過(guò)掃描波長(zhǎng)為633 nm、功率為2.5µW、光斑尺寸為1µm的光束,實(shí)現(xiàn)光電流的空間映射。外加?xùn)艠O電壓為−30v,漏源極電壓為2v。插圖顯示了設(shè)備的光學(xué)圖像。電極用白色虛線(xiàn)表示,Me-PTCDI用綠色虛線(xiàn)表示,異質(zhì)結(jié)構(gòu)用藍(lán)色虛線(xiàn)表示。比例尺尺寸為5µm。
 
 
圖3. 二維有機(jī)/無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論建模與柵極調(diào)諧。a) Me-PTCDI分子HOMO和LUMO的電荷密度圖;b)用GW法計(jì)算Me-PTCDI/Mo0.125W0.875S2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的總態(tài)密度(DOS)和Me-PTCDI分子軌道的投影DOS;c)在Vg <0 V(左)、Vg = 0 V(中)和Vg > 0 V(右)條件下異質(zhì)結(jié)構(gòu)運(yùn)行的能帶圖和示意圖。
 


圖4. 不同結(jié)構(gòu)和層厚的探測(cè)率和響應(yīng)時(shí)間。a)在不同Me-PTCDI厚度下,光電探測(cè)器的探測(cè)率隨光功率的增加而降低。與沒(méi)有Me-PTCDI相比,厚Me-PTCDI層和ML Me-PTCDI/FL Mo0.1W0.9S2的器件的檢出率最高。在633 nm處進(jìn)行測(cè)試;b)不同厚度的Mo0.1W0.9S2與Me-PTCDI不同組合的檢測(cè)性能比較,其中ML Mo0.1W0.9S2 1個(gè),ML Me-PTCDI/ML Mo0.1W0.9S2 2個(gè),F(xiàn)L Me-PTCDI/ML Mo0.1W0.9S2 3個(gè),F(xiàn)L Mo0.1W0.9S2 4個(gè),ML Me-PTCDI/FL Mo0.1W0.9S2 5個(gè),F(xiàn)L Me-PTCDI/FL Mo0.1W0.9S2 6個(gè)。在633 nm處進(jìn)行測(cè)試;c) ML - Me-PTCDI/FL Mo0.1W0.9S2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測(cè)的檢出率和響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于大多數(shù)二維有機(jī)/無(wú)機(jī)光電探測(cè)器。
 
 
圖5. ML - Me-PTCDI/FL Mo0.1W0.9S2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的成像特性a)成像系統(tǒng)示意圖;
b)對(duì)圖像掃描系統(tǒng)獲得的圖像在633 nm處進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試條件為Vg =−30 V, Vds = 2 V。
斬波頻率為60000hz;c)遮罩區(qū)和非遮罩區(qū)光電流響應(yīng)圖。
 
       相關(guān)研究成果由蘇州實(shí)驗(yàn)室Fengyuan Xuan、東南大學(xué)Zhenhua Ni南京郵電大學(xué)Li Gao課題組2024年發(fā)表在Laser & Photonics Reviews (鏈接: https://doi.org/10.1002/lpor.202400192)上。原文:High Speed Photodetector Based on 2D Organic/Inorganic Hybrid Van Der Waals Heterostructure Devices

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