Wetenschap
Wetenschappers onthullen het werkingsmechanisme van een meerlaagse MoS₂-fotodetector met een breed spectraal bereik en multibandrespons
Als typisch tweedimensionaal materiaal is MoS2 vertoont unieke optische en elektrische eigenschappen vanwege de atomaire dikte in de verticale dimensie, waardoor het een onderzoekshotspot is op het gebied van opto-elektronische detectie.
De prestaties van MoS2 apparaten zijn sterk afhankelijk van hun materiaaleigenschappen, apparaatstructuren en fabricagetechnieken. Daarom zijn de fotodetectiekarakteristieken van MoS2 apparaten kunnen worden bepaald door verschillende fysieke effecten, die bijdragen aan de ontwikkeling van breedband MoS2 -gebaseerde fotodetectoren.
Een onderzoeksteam van de School of Electronic Science and Engineering van Southeast University heeft breedband MoS2 ontwikkeld fotodetector, die een bereik bestrijkt van 410 tot 1550 nm. Door middel van een reeks elektrische en opto-elektronische experimenten onthult het artikel het werkingsmechanisme van de multiband optische respons van de MoS2 apparaat.
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Devices &Instrumentation .
De afgelopen jaren hebben breedbandfotodetectoren een belangrijke rol gespeeld op verschillende gebieden, zoals optische communicatie, beeldvorming, transmissie, detectie, milieuveiligheid en monitoring. Als typisch tweedimensionaal materiaal is molybdeendisulfide (MoS2 ), een overgangsmetaaldichalcogenide, heeft veel aandacht getrokken vanwege zijn uitstekende elektrische en optische eigenschappen en het gemak van verwerking.
Echter, de bandgap van MoS2 beperkt het detectiebereik van zijn fotodetectoren. Om het reactiebereik van MoS2 te vergroten fotodetectoren zijn er verschillende chemische behandelingsmethoden gerapporteerd. Daarnaast integratie van MoS2 detectoren met fotonische nanostructuren maken een verbeterde en verbrede lichtrespons mogelijk.
Niettemin mechanisch geëxfolieerd MoS2 fotodetectoren die zijn vervaardigd zonder de noodzaak van chemische behandeling, bezitten onvervangbare voordelen. Het bereiken van fotodetectie onder de bandafstand in overgangsmetaaldichalcogeniden door middel van mechanische exfoliatie is een focus van huidig onderzoek geworden. Bovendien hangen de prestaties van tweedimensionale materiaalfotodetectoren nauw samen met apparaatstructuren en fabricagemethoden.
In dit onderzoek een meerlaagse MoS2 veldeffecttransistor (FET) fotodetector werd vervaardigd met behulp van een mechanische exfoliatiemethode, die een breed spectraal detectiebereik tot 1550 nm vertoonde. Experimentele resultaten tonen aan dat de geoptimaliseerde MoS2 FET vertoont een lagere weerstand en stabielere poortbesturingskarakteristieken.
Door meerlaags MoS2 mechanisch te exfoliëren tijdens het pre-overdrachtsproces werden een hoge responsiviteit en specifieke detectiviteit bereikt onder verlichting van 480 nm. Het apparaat vertoont goede uitgangs- en transmissie-eigenschappen bij invallend licht van 410 tot 800 nm, en is lichtgevoelig. De responsbandbreedte kan worden uitgebreid tot 1550 nm, waardoor breedbandrespons over meerdere spectrale gebieden mogelijk wordt.
Bovendien werden de transportkarakteristieken en tijdsafhankelijke reacties van het apparaat op verschillende golflengten geanalyseerd. Detectie van zichtbaar licht is gebaseerd op de fotogeleidende en photogating-effecten, terwijl de detectie van infrarood licht buiten de bandgap voornamelijk afhankelijk is van het fotothermische effect.
Een onderzoeksteam van de Southeast University legde de verschillende elektrische kenmerken uit tussen MoS2 vóór en na de overdracht apparaten via de verschillende contactmodi tussen MoS2 en Au. Het oppervlaktepotentiaalverschil (SPD) op de MoS2 -Au kruispunt van een MoS na de overdracht2 apparaat werd waargenomen met behulp van Kelvin-sondekrachtmicroscopie.
Op basis van de meetresultaten van SPD en het verschil in werkfunctie werd vastgesteld dat de werkfunctie van MoS2 is ongeveer 0,05 eV kleiner dan die van Au. Het energiebanddiagram voor en na het contact onthulde de aanwezigheid van een Schottky-barrière bij het MoS2 -Au-interface, wat resulteerde in inferieur elektrisch gedrag. In het geval van pre-transfer-apparaten is de MoS2 -De Au-interface werd beïnvloed door Fermi-niveau-pinning, wat leidde tot een vermindering van de werkfunctie van Au tot onder die van MoS2 . Als gevolg hiervan werd ohms contact gevormd op de MoS2 -Au-interface, waardoor de contactweerstand wordt verminderd en de stroom wordt verhoogd.
Deze studie presenteert een geoptimaliseerd mechanisch geëxpandeerd meerlaags MoS2 back-gated detector met multi-band fotodetectiemogelijkheden. Dankzij het geoptimaliseerde pre-transfer-fabricageproces vertoont het apparaat verbeterde ladingstransportprestaties.
Zonder de noodzaak van een chemische behandeling kan de MoS2 detector bereikt een brede spectrale fotodetectie voorbij de MoS2 bandafstand. Het apparaat heeft een maximale responsiviteit van 33,75 A W −1 bij zichtbaar licht (480 nm), met een overeenkomstige specifieke detectiviteit van 6,1×10 11 cm Hz 1/2 W −1 . Het reactiemechanisme onder zichtbaar licht wordt toegeschreven aan de photogating- en fotogeleidende effecten.
Bovendien vertoont het apparaat een respons bij infraroodlicht van 1550 nm, waardoor de bandafstandbeperking wordt overschreden, die wordt toegeschreven aan de variatie in dragerconcentratie veroorzaakt door het fotothermische effect. Het breedbandfotodetectiegedrag van het apparaat wordt toegeschreven aan het foto-elektrische effect in zichtbaar licht en het fotothermische effect in infrarood licht, wat inzichten oplevert voor breedbanddetectie bij kamertemperatuur en een aanzienlijk potentieel aantoont op verschillende gebieden, zoals infrarood stealth, machine vision en omgevingsmonitoring. .