Som ett typiskt tvådimensionellt material, MoS2 uppvisar unika optiska och elektriska egenskaper på grund av dess atomtjocklek i den vertikala dimensionen, vilket gör den till en forskningshotspot inom området optoelektronisk detektion.
Prestanda för MoS2 enheter är mycket beroende av deras materialegenskaper, enhetsstrukturer och tillverkningstekniker. Därför är fotodetektionsegenskaperna hos MoS2 enheter kan bestämmas av olika fysiska effekter, som bidrar till utvecklingen av bredbands MoS2 -baserade fotodetektorer.
En forskargrupp från School of Electronic Science and Engineering vid Southeast University har utvecklat wideband MoS2 fotodetektor som täcker ett område från 410 till 1550 nm. Genom en serie elektriska och optoelektroniska experiment avslöjar artikeln arbetsmekanismen för den flerbandiga optiska responsen hos MoS2 enhet.
Verket publiceras i tidskriften Advanced Devices &Instrumentation .
Under de senaste åren har bredbandsfotodetektorer spelat en viktig roll inom olika områden som optisk kommunikation, bildbehandling, överföring, avkänning, miljösäkerhet och övervakning. Som ett typiskt tvådimensionellt material, molybdendisulfid (MoS2 ), en dikalkogenid av övergångsmetall, har väckt stor uppmärksamhet på grund av dess utmärkta elektriska och optiska egenskaper, samt dess enkla bearbetning.
Men bandgapet för MoS2 begränsar detektionsområdet för dess fotodetektorer. För att bredda svarsintervallet för MoS2 fotodetektorer har olika kemiska behandlingsmetoder rapporterats. Dessutom integration av MoS2 detektorer med fotoniska nanostrukturer möjliggör förbättrad och breddad ljusrespons.
Ändå mekaniskt exfolierad MoS2 fotodetektorer framställda utan behov av kemisk behandling har oersättliga fördelar. Att uppnå sub-bandgap fotodetektion i övergångsmetalldikalkogenider genom mekanisk exfoliering har blivit ett fokus för aktuell forskning. Dessutom är prestandan hos tvådimensionella materialfotodetektorer nära relaterade till enhetsstrukturer och tillverkningsmetoder.
I denna studie, en multilayer MoS2 fälteffekttransistor (FET) fotodetektor framställdes med hjälp av en mekanisk exfolieringsmetod, som uppvisar ett brett spektralt detektionsområde på upp till 1550 nm. Experimentella resultat visar att den optimerade MoS2 FET uppvisar lägre motstånd och mer stabila grindstyrningsegenskaper.
Genom att mekaniskt exfoliera multilayer MoS2 under föröverföringsprocessen uppnåddes hög responsivitet och specifik detektivitet under 480 nm belysning. Enheten uppvisar goda ut- och transmissionsegenskaper under infallande ljus från 410 till 800 nm, och den är ljuskänslig. Svarsbandbredden kan utökas till 1550 nm, vilket möjliggör bredbandssvar över flera spektrala regioner.
Dessutom analyserades bärartransportegenskaperna och tidsberoende svar hos enheten vid olika våglängder. Detektering av synligt ljus baseras på de fotokonduktiva och fotogenerande effekterna, medan detektering av infrarött ljus bortom bandgapet i första hand är beroende av den fototermiska effekten.
En forskargrupp från Southeast University förklarade de olika elektriska egenskaperna mellan MoS för överföring och efter överföring2 enheter genom de olika kontaktlägena mellan MoS2 och Au. Ytpotentialskillnaden (SPD) vid MoS2 -Au-korsning av en MoS2 efter överföring enheten observerades med hjälp av Kelvin-sondkraftmikroskopi.
Baserat på mätresultaten för SPD och skillnaden i arbetsfunktion fann man att arbetsfunktionen hos MoS2 är ungefär 0,05 eV mindre än Au. Energibandsdiagrammet före och efter kontakt avslöjade närvaron av en Schottky-barriär vid MoS2 -Au-gränssnitt, vilket resulterade i sämre elektriskt beteende. När det gäller enheter för föröverföring, MoS2 -Au-gränssnittet påverkades av Fermi-nivånålning, vilket ledde till en minskning av arbetsfunktionen för Au under den för MoS2 . Som ett resultat bildades Ohmic-kontakt vid MoS2 -Au-gränssnitt, minskar kontaktmotståndet och ökar strömmen.
Denna studie presenterar en optimerad mekanisk exfolierad flerskikts MoS2 back-gated detektor med multi-band fotodetektionsfunktioner. Under den optimerade tillverkningsprocessen före överföring uppvisar enheten förbättrad laddningstransportprestanda.
Utan behov av kemisk behandling, MoS2 detektorn uppnår en bred spektral fotodetektion bortom MoS2 bandgap. Enheten visar en maximal responsivitet på 33,75 A W −1 vid synligt ljus (480 nm), med en motsvarande specifik detektivitet på 6,1×10 11 cm Hz 1/2 W −1 . Svarsmekanismen under synligt ljus tillskrivs de fotogenerande och fotokonduktiva effekterna.
Dessutom visar enheten ett svar vid 1550 nm infrarött ljus, vilket överträffar bandgap-begränsningen, vilket tillskrivs variationen i bärarkoncentrationen som orsakas av den fototermiska effekten. Enhetens bredbandiga fotodetektionsbeteende tillskrivs den fotoelektriska effekten i synligt ljus och den fototermiska effekten i infrarött ljus, vilket ger insikter för bredbandsdetektering vid rumstemperatur och visar betydande potential inom olika områden som infraröd smyg, maskinseende och miljöövervakning .
Mer information: Xia-Yao Chen et al, Multilayer MoS 2-fotodetektor med brett spektralområde och multibandsvar, Avancerade enheter och instrumentering (2024). DOI:10.34133/adi.0042
Tillhandahålls av Advanced Devices &Instrumentation
