二维范德华（vdWs）异质结构光电探测器因其获得可观的光学导电性增益和器件可调性的能力而引起了人们的极大兴趣。然而，超薄二维无机vdWs器件的光吸收通常较弱，导致探测性较低。此外，二维半导体的固有缺陷在输运过程中会引起明显的载流子捕获和缺陷态散射，严重制约了器件的响应速度。本文采用二硫化钼钨（Mo_0.1W_0.9S₂）代替传统的二维半导体，采用N ' -二甲基-3,4,9,10-苝二氧亚胺（Me-PTCDI），器件的光吸收效率显著提高，实现了快速响应和高探测率。系统地研究了基于Me-PTCDI和Mo_0.1W_0.9S₂的ii型有机/无机杂化vdWs异质结构光电探测器。特别是，采用单层（ML） Me-PTCDI和多层（FL）Mo_0.1W_0.9S₂的器件，探测率高达4.4 × 10¹¹ Jones，响应时间为24.9µs。利用该器件作为光传感像素，展示了高精度的单探测像素成像系统，在快速成像应用中具有广阔的前景。
 
 
图1. 二维Me-PTCDI/Mo_0.1W_0.9S₂ vdWs异质结构的结构与表征a) Mo_0.1W_0.9S₂和Me-PTCDI的平面结构及异质结构的叠加构型；b、c) ML Me-PTCDI/FL Mo_0.1W_0.9S₂异质结构样品的光学显微镜和PL图，其中Mo_0.1W_0.9S₂和Me-PTCDI用虚线标记。ML - Me-PTCDI区域的绿色是由于PL荧光（激发波长：450 nm）。比例尺：10µm；d,e) ML Me-PTCDI、FL Mo_0.1W_0.9S₂的PL荧光光谱和拉曼光谱，以及同一样品在室温下的杂化异质结构区；
f)二维Me-PTCDI/Mo_0.1W_0.9S₂ vdWs异质结构的能带结构。
 
 
图2. 介绍了二维Me-PTCDI/Mo_0.1W_0.9S₂ vdWs异质结构光电探测器的电学和光电性能。a) Me-PTCDI/Mo_0.1W_0.9S₂异质结构光电探测器原理图；b)各V_ds下器件的V_g-I_ds传递曲线；c)各Vg下器件的V_ds-I_ds输出曲线；d)测量到光电流的上升（τr）和下降（τf）时间分别为27.1µs和24.9µs，上升和下降曲线（蓝色）用指数函数（红色）拟合得很好；e) 633 nm照明下光电流与光强的关系；f)通过扫描波长为633 nm、功率为2.5µW、光斑尺寸为1µm的光束，实现光电流的空间映射。外加栅极电压为−30v，漏源极电压为2v。插图显示了设备的光学图像。电极用白色虚线表示，Me-PTCDI用绿色虚线表示，异质结构用蓝色虚线表示。比例尺尺寸为5µm。
 
 
图3. 二维有机/无机异质结构的理论建模与栅极调谐。a) Me-PTCDI分子HOMO和LUMO的电荷密度图；b)用GW法计算Me-PTCDI/Mo_0.125W_0.875S₂异质结构的总态密度（DOS）和Me-PTCDI分子轨道的投影DOS；c)在V_g <0 V（左）、V_g = 0 V（中）和V_g > 0 V（右）条件下异质结构运行的能带图和示意图。
 


图4. 不同结构和层厚的探测率和响应时间。a)在不同Me-PTCDI厚度下，光电探测器的探测率随光功率的增加而降低。与没有Me-PTCDI相比，厚Me-PTCDI层和ML Me-PTCDI/FL Mo_0.1W_0.9S₂的器件的检出率最高。在633 nm处进行测试；b)不同厚度的Mo_0.1W_0.9S₂与Me-PTCDI不同组合的检测性能比较，其中ML Mo_0.1W_0.9S₂ 1个，ML Me-PTCDI/ML Mo_0.1W_0.9S₂ 2个，FL Me-PTCDI/ML Mo_0.1W_0.9S₂ 3个，FL Mo_0.1W_0.9S₂ 4个，ML Me-PTCDI/FL Mo_0.1W_0.9S₂ 5个，FL Me-PTCDI/FL Mo_0.1W_0.9S₂ 6个。在633 nm处进行测试；c) ML - Me-PTCDI/FL Mo_0.1W_0.9S₂异质结构光探测的检出率和响应时间优于大多数二维有机/无机光电探测器。
 
 
图5. ML - Me-PTCDI/FL Mo_0.1W_0.9S₂异质结构光电探测器的成像特性a)成像系统示意图；
b)对图像扫描系统获得的图像在633 nm处进行测试，测试条件为V_g =−30 V, V_ds = 2 V。
斩波频率为60000hz；c)遮罩区和非遮罩区光电流响应图。
 
       相关研究成果由苏州实验室Fengyuan Xuan、东南大学Zhenhua Ni和南京邮电大学Li Gao课题组2024年发表在Laser & Photonics Reviews (链接: https://doi.org/10.1002/lpor.202400192)上。原文：High Speed Photodetector Based on 2D Organic/Inorganic Hybrid Van Der Waals Heterostructure Devices

转自《石墨烯研究》公众号