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金屬所鉬基雙異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器研究取得進(jìn)展
2021年07月06日 09:29:02
來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：7239
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所與國(guó)內(nèi)多家單位的科研團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種提高光增益的新方法，選擇合適溝道和電極材料進(jìn)行能帶匹配，使其在光照下晶體管源、漏端的勢(shì)壘降低并形成正反饋，從而獲得超高靈敏度的二維材料光電探測(cè)器。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】二維半導(dǎo)體材料具有原子級(jí)厚度及獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，在光電器件應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。然而，二維材料通常光吸收較弱，且在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，一個(gè)入射光子只能激發(fā)一個(gè)電子-空穴對(duì)，導(dǎo)致器件的光探測(cè)能力不高。一般來(lái)說(shuō)，提高光增益有雪崩和光柵兩種方式：雪崩機(jī)制對(duì)材料能帶的匹配要求苛刻，且需在高偏置電壓下工作；而光柵機(jī)制由于電荷弛豫效應(yīng)，導(dǎo)致光電響應(yīng)速度顯著降低。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所與國(guó)內(nèi)多家單位的科研團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種提高光增益的新方法，選擇合適溝道和電極材料進(jìn)行能帶匹配，使其在光照下晶體管源、漏端的勢(shì)壘降低并形成正反饋，從而獲得超高靈敏度的二維材料光電探測(cè)器。7月2日，相關(guān)研究成果以《一種超靈敏的鉬基雙異質(zhì)結(jié)光電晶體管》(An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor)為題，在線(xiàn)發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
研究團(tuán)隊(duì)使用二維二硫化鉬作為溝道材料、氧化鉬(α-MoO3-x)為電極材料，在晶體管源端和漏端形成了二硫化鉬/氧化鉬雙異質(zhì)結(jié)，構(gòu)筑光電晶體管。該晶體管展現(xiàn)出超高響應(yīng)度(>105 A/W)、超高外量子效率(>107 %)、在二維材料光電探測(cè)器中最高的探測(cè)度(9.8×1016 Jones)和超快光電響應(yīng)速度(約100 μs)等優(yōu)異的光電特性。
研究構(gòu)筑不同種類(lèi)源漏電極的光電晶體管，氧化鉬為電極的器件光響應(yīng)是鈦/金(Ti/Au)電極器件的3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合對(duì)材料能帶結(jié)構(gòu)的光學(xué)表征和理論計(jì)算，科研人員還提出了雙異質(zhì)結(jié)光致勢(shì)壘降低機(jī)制的器件工作原理，即在暗態(tài)下氧化鉬/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)形成大的肖特基勢(shì)壘，源端電子無(wú)法注入溝道中，實(shí)現(xiàn)了超低暗電流和噪聲。在光照條件下，電子-空穴對(duì)在源端耗盡區(qū)生成，隨后在內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下高效分離，載流子的濃度變化導(dǎo)致源端電子勢(shì)壘的降低，實(shí)現(xiàn)了電子注入和光增益；注入的電子又可降低漏端電子勢(shì)壘，增大光電流；而這進(jìn)一步增強(qiáng)源極內(nèi)建電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了雙異質(zhì)結(jié)間的正反饋效應(yīng)，獲得了超高響應(yīng)度和探測(cè)度。同時(shí)，由于不使用陷阱束縛電荷，器件還具有高響應(yīng)速度。該研究提出了一種具有普適性意義的提高光電探測(cè)器增益的方法，可推廣至其他二維材料體系，為未來(lái)構(gòu)建超靈敏光電探測(cè)器開(kāi)辟了新思路。
研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院、遼寧省興遼英才計(jì)劃、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等的支持。
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