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  原标题:广东工业大学郑照强团队AOM:亚毫米尺度WSe2的稳健制备驱动高灵敏度2D材料光电探测器

  创新点:团队采用改进的PVD技术稳健沉积了具有高质量和均匀性的亚毫米级(700 μm)三层 WSe 2 纳米薄片,并与 2D 光敏通道集成,用于栅极可调光电检测。具有自然钝化表面的 WSe 2 纳米薄片不仅可以作为衬底钝化层来减轻不利的衬底效应,而且还在传输通道中引入垂直内建场,从而有效地分离光生载流子并产生高光电导增益。此外,这种异质结构方案普遍适用于多种二维材料来提升器件光敏性质。

  关键词:WSe 2 ; 单边耗尽; 栅极调控; 衬底钝化; 光电探测器。

  光电探测器是X射线探测、成像、过程监控和光通信的基础器件,已在众多领域得到应用。光电探测器的研究和应用促进了社会的进步和发展。随着纳米级高集成器件的快速发展,传统感光材料逐渐陷入瓶颈期。自2004年发现单原子厚的石墨烯以来,二维 (2D) 材料因其卓越的结构和物理特性而引起了对下一代光电探测器设计的越来越多的研究关注。然而,由于缺乏有效的光电导增益机制以及传统SiO2衬底的不利影响(如带电杂质散射和库仑散射),基于单纯二维材料的光电探测器的灵敏度往往较低,影响了其实际应用通常。为了完全发挥二维材料的潜能,构建二维材料范德华异质结(vdWHs)是一种有效是手段,特别是单边耗尽的范德华异质结构,可以显着抑制光生电子-空穴对的界面复合,大大提高光响应速度。然而,大多数单边耗尽型vdWHs光电探测器在光伏模式下运行,其中暗电流可以通过耗尽区的形成来抑制,但会降低光电流。此外,由于缺乏对二维材料的独立调制,这些单边耗尽的vdWHs中的光电性能的调制仍然非常有限。为了解决这些问题,需要开发一种通用策略,该策略可以同时减轻不利的底物效应并帮助构建可调节的单边耗尽vdWHs。

  在上述要求的驱动下,团队在SiO 2 /Si衬底上实现了亚毫米级三层WSe 2 的稳健生长,如图1a-e所示,并被用作同时减轻不利衬底效应和构建可调节单边耗尽vdWH的通用策略。WSe 2 是通过改进的物理气相沉积 (PVD) 工艺沉积的,其高质量通过电学和形态测量的组合得到了证实,如图1f-o所示。然后,将2D InSe 薄片剥离并随后转移到少层WSe 2 上,以构建用于栅极可调超灵敏光电检测的单边耗尽vdWH。在这种架构中,少层WSe 2 提供了一个自然钝化的表面,这大大减轻了有害的衬底效应。同时,完全耗尽的三层WSe 2 ,也会抑制漏极电流的产生。此外,InSe/WSe 2 界面产生的垂直内建场有利于光生空穴注入WSe 2 ,伴随InSe通道中的电子进行多次再循环,从而获得显着的光电导增益效应。通过栅极电压调谐的vdWHs能带工程,器件可以产生112 A/W的高响应率、8.6×10 12 Jones的高探测率和短的上升/衰减时间29.1/15.3 ms,如图2所示。更鼓舞人心的是,这种生长的少层WSe 2 被推广以优化2D WS2的光电探测能力,定义了一种简单、通用且可扩展的策略来构建超灵敏光电探测器。

  图2. (a) 异质结器件的示意图;(b) 器件在不同功率405 nm光照下的转移曲线;(c-f) 不同栅压和光照功率下的响应度、光增益、探测度和光开关比。

  Advanced Optical Materials创刊于2013年,是一本报道材料科学领域与光-物质相互作用相关的突破性研究的跨学科国际期刊。其收录论文的研究领域包括光子学、等离激元光子学、超材料等。2021年影响因子为10.05。

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