复旦大学二维共轭材料与器件实验室
暨 高分子科学系魏大程课题组
Two Dimensional Conjugated Material and Device Laboratory & Wei's Group @ Fudan University
自然出版集团《NPJ•二维材料和应用》:魏大程课题组发现提高光电探测器灵敏度的“巨光电栅效应”

近日,复旦大学高分子科学系、复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室魏大程团队在高性能二维光电探测器件研究领域取得进展。相关研究成果以《二维范德瓦尔斯有机/二硒化钨异质界面的巨光电栅压效应》 (Large Photoelectric-Gating Effect of Two-Dimensional van-der-Waals Organic/Tungsten Diselenide Heterointerface)为题在线发表于自然出版集团《NPJ·二维材料和应用》(NPJ 2D Materials and Applications)。


二维过渡金属硫属化合物如二硫化钼(MoS2)和二硒化钨(WSe2)因强的光与物质相互作用、高载流子迁移率、带隙可调、暗电流小等优点在光电领域有很大的应用潜力。然而由于二维材料高透光率的限制,基于本征材料的光电探测器灵敏度难以进一步提升。为解决这一问题,光栅效应被认为是实现高性能光电探测的有效方法,它可通过引入光吸收材料和二维材料形成异质结构来实现。界面电荷捕获对实现光栅调控具有重要意义,但是目前仍缺乏对捕获过程的有效控制,异质结界面处难以积累较多的光生载流子,从而造成普通光栅调控所提升的光响应灵敏度有限。


为了解决普通光栅调控存在的问题,进一步提高器件响应灵敏度,魏大程团队开发了一种基于新原理(即“巨光电栅调控”)的光电探测器件。他们通过气相沉积的方法在表面外延生长一种有机层,制备出二维有机/ WSe2异质结,发现该结构存在一种基于光栅与电栅协同作用的“巨光电栅压效应”。异质结界面处具有载流子单向注入的势垒,电栅可调控势垒高度,从而显著增强界面对电荷的捕获能力,实现比普通光栅效应更高的光响应灵敏度。光响应灵敏度达到3.6×106 A/W,远高于现有的二维异质结构光电探测器,比如PbS/WSe2(2×105 A/W), PPh3/WSe2 (6.67×105 A/W), 石墨烯/WSe2/石墨烯 (0.01 A/W), MoS2/WSe2 (0.12 A/W), MoTe2 p-n 结 (5×10−3 A/W)等。文中还发现外延生长中足够浓度的气相有机分子有利于形成理想的二维范德瓦耳斯界面,是获得“巨光电栅效应”是关键因素之一。


  此外,基于“巨光电栅效应”,课题组开发了一种新型的光电探测器件,即电栅开关光电探测器。这种器件可以通过栅极电压打开或关闭光电探测器,同时通过栅极电压还可以调节响应电流的大小。总之,“巨光电栅效应”是一种设计光电探测器的新策略,不仅可以提高光电探测灵敏度,而且在新型光电器件研发领域也表现出巨大潜力。



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a. 器件示意图和光照下光生载流子的捕获过程;图b. 光照下WSe2(左图)、普通光栅作用下异质结(中间)和“巨光电栅效应”作用下异质结(右图)的能带结构示意图;图c, “巨光电栅效应”作用下器件性能和文献报道数据的对比; 图d. 电栅开关光电探测器在不同栅压下的光电流响应。

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