ACS AMI：绿色高性能宽带MoS₂/CuInSe₂-QDs光电探测器

来源：ACS美国化学会

具有宽光谱响应尤其是能覆盖红外光区域的光电探测器在热成像、光通信、环境检测、远程控制以及生物医用领域彰显出重要价值。然而，当前商用的(近)红外光探测器大多基于单晶Si或者InGaAs，制造工艺复杂且需要高外置电压和低温工作环境，因此亟需探索新的替代材料或技术。2D材料由于其原子级厚度、柔性、透明以及表面无悬挂键等优点成为下一代光电子器件的理想材料。近年来，单层MoS2因其具有直接带隙能带结构、高量子效率和高的载流子迁移率，在光电探测方面表现出巨大应用前景。然而目前MoS2基光电探测器的性能仍然局限在以下几个方面：(1) 原子级厚的MoS2基光电探测器的探测范围只能覆盖紫外可见光区域；(2) 由于超薄的厚度，材料的光吸收较弱；(3) 基底和材料中固有缺陷引起的持续光电导效应，虽然提高了器件的光增益，但同时牺牲了器件的光响应速度。为了解决这些问题，最有效的方法是构筑异质结，近年来研究者构建了基于各种2D材料的2D-2D异质结，但这类异质结光电探测器的性能很大程度上受限于材料的光吸收。最近，0D量子点(QDs)由于其成本低、良好的光吸收、可调的带隙以及可与2D材料简单、无损集成等优点，引起了研究者的广泛关注。但目前使用的很多量子点含有Pb、Hg等重金属元素，对人体和环境危害大。因此，发展一种绿色低成本高性能的宽带光电探测器十分必要。

有鉴于此，近日，北京科技大学齐俊杰教授和深圳大学李峰博士后合作设计了一种绿色低成本高性能的单层MoS2基宽带光电探测器。通过将CuInSe2量子点与MoS2耦合形成0D-2D异质结，实现了对紫外到红外光范围的检测，在1064 nm下的光响应度高达74.8 A/W，优于先前报道的2D材料基红外光电探测器。由于CuInSe2量子点易于合成、无毒，高的光吸收系数以及更宽的光吸收范围等优点，其可以考虑作为2D 材料表面的修饰层。将CuInSe2-QDs与2D MoS2通过范德华力耦合，可以提高光与物质的交互作用，从而增加材料的光吸收。同时，通过对合成的CuInSe2-QDs与单层MoS2能带结构的考察，发现两者接触形成了Type-II能带排列结构，这种能带排列类型可以调节层间跃迁能以及促进界面光生载流子的有效分离。因此，通过合理选择以及设计量子点和2D材料的能带结构，可以为开发低成本高性能的多功能光电探测器提供新的思路。

图1. CuInSe2-QDs与单层MoS2的微观结构及光学特征分析

与原始MoS2场效应晶体管(FET)相比，CuInSe2-QDs杂化处理后器件在暗态下的源漏电流有所提高，通过对阈值电压的提取，发现引入CuInSe2-QDs使得MoS2 FET的阈值电压发生了负向偏移。阈值电压的偏移与旋涂CuInSe2-QDs后引起的n型掺杂有关，这与拉曼(Raman)光谱的分析结果一致。此外，CuInSe2-QDs杂化处理后器件的载流子迁移率和开关比也有一定的提升。

图2. 暗态下CuInSe2-QDs处理前后两种器件的电学结果对比

随后，作者研究了两种光电探测器在不同光照强度和波长范围下的响应特性。通过对比发现，CuInSe2-QDs杂化处理后器件在紫外可见光区域的响应度和探测率相比于原始MoS2器件分别提高了约30倍和20倍。值得注意的是，原始MoS2器件由于带隙的限制只能感应紫外可见光，而经过CuInSe2-QDs处理后，器件在1064 nm的近红外区波长下表现出优异的响应特性，最高响应度和探测率分别达到了74.8 A/W和7.1×1011 Jones，优于先前报道的2D材料基红外光电探测器。进一步地，作者对MoS2/CuInSe2-QDs杂化器件的光增益机制进行了探究，通过建立光电流、光照强度以及栅压之间的关系发现：随着栅压的提高，光电流增益机制从光电导效应主导向光栅效应主导变化。在MoS2/CuInSe2-QDs杂化器件中，光栅效应最可能来源于CuInSe2-QDs与MoS2界面处的陷阱态。

图3. 不同光照条件下两种光电探测器的电学特性及原理图

最后，作者考察了CuInSe2-QDs处理前后器件的光响应开关特性。结果表明，相比于原始MoS2器件，CuInSe2-QDs与MoS2范德华耦合后能够大幅提高器件的光响应速度，响应时间由58 s降至0.8 s。响应速度的提高可归结于CuInSe2-QDs与MoS2界面处形成的内建势场，使得SiO2基底和MoS2中缺陷局域的少子(空穴)挣脱流向CuInSe2-QDs，从而降低了持续光电导效应导致的响应速度下降，平衡了光电探测器光响应度和响应速度难以同时提高的问题。该MoS2/CuInSe2-QDs器件的构建及研究，为开发绿色低成本宽带光电探测器提供了一条新途径，并加速了它们在高性能光电器件中的应用。