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（Mo
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2）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Mo
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2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）Mo
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2的器件，探測(cè)率高達(dá)4.4 × 10
11 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/Mo
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2 vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與表征a) Mo
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2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 Mo
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2異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品的光學(xué)顯微鏡和PL圖，其中Mo
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2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 Mo
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2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/Mo
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2 vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)。
圖2. 介紹了二維Me-PTCDI/Mo
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2 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/Mo
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2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器原理圖；b)各V
ds下器件的V
g-I
ds傳遞曲線(xiàn)；c)各Vg下器件的V
ds-I
ds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/Mo
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2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V
g <0 V（左）、V
g = 0 V（中）和V
g > 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 Mo
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2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Mo
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2與Me-PTCDI不同組合的檢測(cè)性能比較，其中ML Mo
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2 1個(gè)，ML Me-PTCDI/ML Mo
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2 2個(gè)，F(xiàn)L Me-PTCDI/ML Mo
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2 3個(gè)，F(xiàn)L Mo
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2 4個(gè)，ML Me-PTCDI/FL Mo
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2 5個(gè)，F(xiàn)L Me-PTCDI/FL Mo
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2 6個(gè)。在633 nm處進(jìn)行測(cè)試；c) ML - Me-PTCDI/FL Mo
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2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 Mo
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2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V
g =−30 V, V
ds = 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和南京郵電大學(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
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
