新研究：液态金属合成超薄层状材料用于高性能光电探测器

来源：材料科学与工程

石墨烯等二维材料一直是众多科学发现的主要关注点。然而，过渡金属单硫属元素化物（如IV族单硫属元素化物（MX，M = Sn，Ge，Pb等，X = S，Se））的巨大潜力仍相对未开发。这些材料的理论研究已经揭示了其量子极限的特殊电子和光电性能，但由于无法获得大的长宽比，因此尚未受到实验性推力。而原子层面的轻薄材料尽管具有引人入胜的性能，但仍面临着不断的挑战。单硫化锡（SnS）是一种低成本，自然丰富的层状材料，其带隙可调，在原子厚度下显示出优异的载流子迁移率和大吸收系数的特性，因此其对电子和光电子学具有非常大吸引力。然而，缺乏成功的合成技术来制备大面积和原子层面尽可能薄的SnSS层，主要是由于强的层间相互作用阻碍了这些特性在通用应用中的探索。

为此，来自皇家墨尔本理工大学的Vaishnavi Krishnamurthi等人在《Advanced Materials》上发表题为“适用于高性能宽带光电探测器的液态金属合成超薄SnS层”的文章。在本文中，SnS层的印刷厚度从单个单位晶胞（0.8 nm）到由金属液态锡合成的多个堆叠单位晶胞（≈1.8nm）不等，其横向尺寸为毫米级。

结果表明，这些大面积的SnS层具有较宽的光谱响应，具有从深紫外（UV）到近红外（NIR）波长（即280-850nm）的范围，并具有快速的光电检测功能。对于单个单元厚的分层SnS结构而言，其在660 nm的室温工作波长下，光电探测器的响应度（927 A W-1）比商用光电探测器高出三个数量级。这项研究为合成用于宽带、高性能光电探测器的大横向可复制纳米片开辟了一条新途径。它还为集成光电电路、传感和生物医学成像中的可扩展应用提供了重要的技术支持。

图1.SnS合成示意图和特征

图2.DFT计算和能带结构的实验分析

图3.单层和多层晶胞厚SnS层的表征。

图4.单晶胞厚度和多个晶胞厚度SnS层的品质因数

总之，本文已经成功地提出了利用熔融Sn在传统基板上的vdW转移的原理，合成了大面积单层和多层单位晶格厚的SnS层的方法。合成SnS层的实验表征证实带隙会随着层厚度的增加而减小，这已通过理论计算得到了进一步验证。通过演示在280至850 nm波长范围内工作的宽带光电探测器，可以阐明原子薄层SnS的非常吸引人的材料特性。与最先进的商用光电探测器相比，宽带光电探测器获得的品质指标显示出超过三个数量级的响应度。即使在如此低的厚度下，原子薄SnS层的稳定性也是一个明显的优势。

因此，本工作为大面积合成代表性材料的超薄层提出了一条新途径，而该超薄层通常无法使用常规方法以原子层面的尺度进行合成。这也为发现可能存在于其他层状材料的量子极限处的独特性质打开了新途径。