由范德華（vdW）異質結內產生的層間激子（interlayer excitons）驅動的紅外（IR）探測器，能夠克服二維材料光電探測器的諸多問題。過渡金屬二硫族化合物（TMDC）的范德華異質結為層間激子的產生提供了先進平臺，可用于探測單個TMDC的超截止波長。

據麥姆斯咨詢報道，近日，韓國化學技術研究院（Korea Research Institute of Chemical Technology）、韓國忠南國立大學（Chungnam National University）與韓國國立蔚山科學技術院（Ulsan National Institute of Science and Technology）組成的科研團隊在Advanced Functional Materials期刊上發表了以“High-Performance Infrared Photodetectors Driven by Interlayer Exciton in a Van Der Waals Epitaxy Grown HfS2/MoS2 Vertical Heterojunction”為主題的論文。該論文的共同第一作者為Minkyun Son、Hanbyeol Jang和Dong-Bum Seo，通訊作者為Ki-Seok An。

這項研究首次提出了一種由層間激子驅動的高性能紅外光電探測器，該紅外探測器由化學氣相沉積（CVD）生長的范德華異質結所制備。這項研究標志著光電器件領域進步的一個重要里程碑。

研究人員選擇HfS?與MoS?的組合來構成范德華異質結平臺，從而制備成層間激子驅動的紅外探測器。這是由HfS?的選擇性生長以及HfS?與MoS?的適當能帶偏移（band offset）所激發的。在兩步CVD工藝中，HfS?僅在MoS?上選擇性生長，從而構建了具有較大界面面積的垂直異質結，并為層間激子的產生提供有利的條件。圖1a展示了采用兩步CVD工藝制備HfS?/MoS?范德華垂直異質結的過程。

圖1 HfS?/MoS?范德華垂直異質結的制備及成果

研究人員利用拉曼光譜和光致發光（PL）技術，探究了原始MoS?和HfS?/MoS?的結構特征和光學性質，結果如圖2a至圖2c所示。為了進一步闡明異質結構的化學組成，研究人員利用X射線光電子能譜技術（XPS）對HfS?/MoS?進行了化學鑒定，測量結果如圖2d至圖2f所示。

圖2 原始MoS?和HfS?/MoS?的光譜探測結果以及HfS?/MoS?的XPS測量結果

隨后，為了直接證實HfS?與MoS?之間存在垂直異質結，研究人員針對其獲取了高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像以及相應的快速傅里葉變換（FFT）分析，結果如圖3所示。

圖3 HfS?/MoS?垂直異質結HRTEM圖像和FFT分析

接著，研究人員對基于HfS?/MoS?的光電探測器的原理及性能做了詳細研究。圖4a為基于HfS?/MoS?的光電探測器示意圖，光電性能測試結果如圖4b至4d所示。研究人員同時制備了MoS?光電探測器，并與基于HfS?/MoS?的光電探測器的光電性能進行了比較，結果如圖4e至圖4h所示。

圖4 基于HfS?/MoS?的光電探測器的性能及其與MoS?光電探測器的比較

最后，研究人員探索了不同紅外波長（850 nm、980 nm和1550 nm）下基于HfS?/MoS?的光電探測器的光響應情況，結果如圖5a至圖5d所示。圖5e展示了在漏極電壓（VDS）=?5 V和5 V時，HfS?/MoS?能帶對齊（band alignment）中層間激子的光致電子提取過程。

圖5 基于HfS?/MoS?的光電探測器的光響應及其層間激子的驅動原理

綜上所述，這項研究成功制備了基于CVD生長的HfS?/MoS?異質結高性能光電探測器。在兩步CVD工藝中，HfS?僅在MoS?上生長，從而建立了具有較大界面面積的垂直異質結。這種有利結構能夠有效促進層間激子的產生。該基于HfS?/MoS?的光電探測器表現出卓越的性能，在470 nm波長處，探測率（D*）=5 × 101? Jones，比MoS?光電探測器提高了36倍。值得注意的是，在1550 nm波長處（該波段已超出HfS?和MoS?各自的探測范圍），基于HfS?/MoS?的光電探測器的性能表現為：光響應度（R）=600 A/W，D*=7 × 1013 Jones，快速上升和衰減時間分別為60 μs和71 μs。這項研究首次報道了利用CVD工藝生長的TMDC來制備層間激子驅動的紅外探測器，這種方法為大規模開發高性能二維材料紅外探測器開辟了道路。

編輯：黃飛

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