近期，西北工業(yè)大學(xué)齊衛宏教授與中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理所劉維民院士合作研究發(fā)現，鎳納米顆粒修飾缺陷二硫化鉬能夠形成光門(mén)控效應，可顯著(zhù)改善器件的紅外光電探測性能。該發(fā)現可用于揭示非表面等離子體共振效應的金屬納米顆粒與半導體形成的異質(zhì)結的載流子傳輸特性。相關(guān)研究成果以“A High Performance MoS₂-Based Visible-Near Infrared Photodetector from Gateless Photogating Effect induced by Nickel Nanoparticles”為題發(fā)表在國際知名刊物《Research》上。

紅外光電探測器廣泛應用于環(huán)境檢測、遙感、生物醫學(xué)成像等領(lǐng)域，而二維材料被認為是構建下一代紅外光電探測器的熱門(mén)候選材料。其中，二硫化鉬作為最具代表性的二維材料之一，擁有許多優(yōu)秀的特性，使得其在紅外光電探測領(lǐng)域受到了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。二硫化鉬由于較大的帶隙（1.2~1.8 eV），在可見(jiàn)光波段已展示出了優(yōu)越的光電探測性能，但在紅外波段工作時(shí)的性能較差，這限制了二硫化鉬的進(jìn)一步應用。針對二硫化鉬帶隙較大的問(wèn)題，許多團隊采用缺陷工程引入缺陷能級來(lái)減小帶隙，但是缺陷能級會(huì )捕獲電子，導致電子和空穴持續在缺陷能級處復合，增大暗電流，降低器件靈敏度和響應速度，損害器件的綜合性能。因此，如何改善缺陷工程的不良影響是二硫化鉬應用于紅外光電探測器中的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。

齊衛宏教授與劉維民院士發(fā)現通過(guò)鎳納米顆粒修飾使電子在鎳納米顆粒中積累，減少電子與空穴在缺陷能級中的復合，且積累電子在鎳納米顆粒也會(huì )影響溝道中的載流子傳輸特性（光門(mén)控效應），增強了二硫化鉬對空穴的導電能力，從而改善引入缺陷能級導致的不良影響，最終實(shí)現了器件在近紅外光電探測性能的大幅提升。

研究人員通過(guò)氫氣退火的方法在多層的二硫化鉬表面引入了硫空位缺陷并生長(cháng)了鎳納米顆粒，并以?xún)H引入硫空位缺陷的二硫化鉬作為對照組。在對實(shí)驗組和對照組進(jìn)行了測試后發(fā)現，兩個(gè)器件展現出了截然不同的伏安特性曲線(xiàn)（圖1），對照組器件表現出了以電子為多子的載流子傳輸特性，而實(shí)驗組則表現出了以空穴為多子的載流子傳輸特性。此外，實(shí)驗組在保持暗電流未明顯增大同時(shí)，光電流有了大幅提升。在980 nm光源輻照下，鎳納米顆粒修飾前后的響應度和探測率由0.15 A·W^-1和1.1×10⁹ Jones提升至1.38 A·W^-1和8.9×10⁹ Jones。

圖1 （A, C）二硫化鉬的伏安特性曲線(xiàn)；（B, D）鎳/二硫化鉬的伏安特性曲線(xiàn)

研究人員進(jìn)一步揭示了鎳納米顆粒修飾調控二硫化鉬載流子傳輸行為的具體機制。在鎳納米顆粒與二硫化鉬形成接觸后，界面處形成內建電場(chǎng)，在能帶結構中表現為二硫化鉬的能帶發(fā)生“彎折”，產(chǎn)生光生電子后，電子在內建電場(chǎng)的作用下向鎳進(jìn)行移動(dòng)，即光伏效應。同時(shí)，內建電場(chǎng)也阻止電子重新回到二硫化鉬中，因而在鎳中積累，且積累電子的鎳納米顆粒會(huì )導致光門(mén)控效應，這使得溝道中的空穴導電性得到增強（圖2）。由于硫空位導致的缺陷能級僅捕獲電子，轉變?yōu)榭昭▽щ娍梢允蛊骷休d流子在傳輸過(guò)程中不易受到缺陷能級的影響。此外，這種機制也使得空穴和電子的復合減少，在光響應時(shí)更易達到穩態(tài)。測試結果也顯示，修飾后器件的響應時(shí)間由120.1 ms降低為50.3 ms。

圖2 （A）二硫化鉬器件的能帶結構；（B）鎳/二硫化鉬和相應器件的能帶結構；（C）鎳/二硫化鉬工作條件下的示意圖

該研究提出了一種改善缺陷工程的有效策略。缺陷工程提升了二硫化鉬在紅外探測中的應用范圍，賦予了二硫化鉬更多的可能性，因此缺陷工程的優(yōu)化至關(guān)重要?；阪嚰{米顆粒修飾來(lái)改變二硫化鉬中的載流子傳輸行為是一種另辟蹊徑的策略，在不改變缺陷二硫化鉬帶隙的前提下，通過(guò)鎳納米顆粒規避了缺陷能級的不利影響，基于納米顆粒導致的光門(mén)控效應改善溝道中的空穴導電性，有效加快了器件的響應速度并提升了器件性能。該研究提出的策略和相應機制具有普適性，為高性能紅外探測器的材料設計提供了新的思路。

論文的第一作者為博士生段然，通訊作者為齊衛宏教授和劉維民院士。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費、煙臺先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗室開(kāi)放課題的支持。

論文鏈接：https://spj.science.org/doi/full/10.34133/research.0195 

供 稿 / 段然

編 輯 / 黃秋平

審 核 / 楊慶考 呂文泉