MoS₂是心思最具代表性的過渡金屬二鹵化物(TMD)材料，當其由塊體減薄至單層時，巧妙其帶隙會由1.29 eV變到1.9 eV，用原且由間接帶隙變為直接帶隙。層刻但是蝕玩式，要想獲得基于MoS₂光電探測器用于多領域的轉各可見-紅外寬光譜探測光電性能太難了。

就像石墨烯是同質膠帶撕出來一樣，有時候解決問題的結材辦法并不復雜，而是料牛要“巧”。二硫化鉬不同層數有不同帶隙，心思那如果在同一二硫化鉬上實現不同層數，巧妙是用原不是就可以實現各種同質結和寬光譜探測了呢？

這么心思巧妙又簡單可行的方法是一名韓國“偶吧”或者更可能是“阿加西”提出的。他就是層刻韓國成均館大學(Sungkyunkwan University)的Geun Young Yeom。

他們課題組通過一種學名為原子層刻蝕(atomic layer etching, ALE)的蝕玩式層數選擇性控制的方法，完成了學名為陣列化的轉各“串聯納米橋(serial nano-bridge)”MoS₂同質結光探測器的構筑，實現了可見-近紅外寬光譜波段超高響應及超快光探測，成果發表在Nature Communication。我們一起正兒八經地學習一下：

1、選擇性刻蝕實現二硫化鉬多種同質結

在構筑陣列化同質結前，首先構筑同質結單元，利用掩模版和光刻膠，通過ALE法將6層MoS₂的一半減薄至單層，這樣就完成了單層/多層MoS₂同質結。ALE法可以精確控制MoS₂的層數，每個ALE循環就能刻蝕掉一層MoS₂，且對MoS₂沒有損傷和污染。圖1b和1c分別為單層MoS₂/多層MoS₂同質結的Raman mapping和AFM高度圖，驗證了ALE對MoS₂層數的精確控制及同質結的構筑。

其次，構筑陣列化的“串聯納米橋” MoS₂同質結。圖1d-1f為條紋狀SiO₂納米陣列模板。以此SiO₂納米陣列模板覆蓋在6層MoS₂上，仍采用ALE法對6層MoS₂進行減薄，直至減薄至單層，最后采用HF去除SiO₂納米陣列模板，得到了陣列化的單層/多層MoS₂同質結。圖1g-1j分別為陣列化同質結的SEM、高分辨SEM、AFM高度圖以及3D形貌圖，證明了通過此種方法實現了均勻的陣列化的同質結。另外，通過控制SiO₂納米陣列掩模版與源漏電極的相對取向，可得到平行式和串聯式“納米橋” MoS₂同質結，如圖1k所示。

圖1

通過上述的方式，選擇性刻蝕就得以實現，那么就能進一步地開發不同的結構實現各式各樣的光電性能。

2、不同結構有不同光電性能

作者比較了不同結構下MoS₂的光探測性能，如圖2a所示共六種MoS₂光探測器。它們的光電特性，如光響應性和光響應時間，如圖2b-g所示。

如圖2b、e所示為Id-Vg曲線和光響應曲線，分別為type 1單層MoS₂?FET和 type 2多層MoS₂FET。圖2b中，type 2的光響應度為1.58×10³?A/W是type 1(1.67×10²?A/W)的9.46倍。這是由于更多的層數會產生更多的光生載流子以及有著更低的激子結合能。圖2e中，由于相同的原因，type 2的光電流上沿時間為9.73 s少于type 1的上沿時間。然而，在暗態時，由于更多剩余的光載流子(電子和空穴)沒有通過電荷陷阱復合以及間接帶隙導致的較慢的電子空穴復合，type 2的下沿時間較長(15.805 s)，type 1的下沿時間較短為6.84 s。

如圖2c、f所示為Id-Vg曲線和光響應曲線，分別為type 3平行式MoS₂同質結FET和 type 4串聯式MoS₂同質結FET。可看出，type 3和type 4的光響應度分別是type 2的5.53和1.94倍，這是由于在同質結內建電場區電子空穴對更容易產生造成的。同質結的結構不僅提高了光響應度，而且提高了光響應速度。圖2f中，type 3和type 4的上沿/下沿時間都低于type 2的。由于平行式同質結的內建電場與源漏電場有著相同的方向，平行式同質結與串聯式同質結相比，更易于載流子輸運，type 3平行式同質結MoS₂?FET比type 4串聯式顯示出更快的光響應。

與此情況相反的是，對于陣列化的同質結來說，type 6串聯式的同質結比type 5平行式的同質結有著更優異的光響應度和光響應速度，如圖2d、2g所示。type 6和type 5的光響應度分別為9.26 × 10⁴?A/W和2.02 × 10²?A/W，上沿/下沿時間分別為0.02/0.025s和12.31/13.705s。這是由于type 5平行式同質結的內建電場平行于源漏電極，充當了載流子輸運串聯能量勢壘和溝道散射中心。Type 6串聯式同質結所展示出的優異的光電性能是基于它源漏電極間326個串聯的納米橋陣列。每個納米橋表現為“偽一維的能量橋(pseudo-one-dimensional energy bridge)”，光生電子和空穴能被有效的分離，并沿著偽一維的能量橋漂移。因此，type 6中的載流子有著更高的遷移率和更短的載流子渡越時間，極大提高了其光相應度及速度。

圖2

3、光電性能優化分析

平行式和串聯式同質結的單元數量對MoS₂光探測器的光響應度和光響應時間的影響所示圖3 a, b。圖3a所示，平行式同質結的光響應度隨著單元數量的增加而降低，這是由于阻礙載流子輸運的能量勢壘數量的增加所致。然而，對于串聯式的同質結而言，其光響應度可隨著單元數量的增加而增加，當單元數量增至326個，其光響應度可達9.26 × 10⁴ A/W, 由于源漏間的偽一維能量橋數量的增加。就光響應速度而言，如圖3b，單元數量的增加會導致平行式同質結光探測器的響應時間增加，這是由于作為載流子散射中心的勢壘數量的增加；而串聯式同質結的響應時間大大降低，其上沿/下沿時間可從9.655/6.93 s降低至0.02/0.025 s。

接著，作者研究了ALE周期數對光響應度和光響應時間的影響，其結果如圖3c和3d所示。可以看出，當ALE循環次數由0增至3時，type 3和type 6的光響應度和光響應時間均沒有顯著變化。隨著ALE循環次數進一步增加時，type 3和type 6的光響應度和光響應時間均有所提升，并在ALE次數為5時達到最優值，即此時為單層/多層MoS₂同質結。

隨后，文中探究了探測器光響應度以及響應時間對光照功率和光波長的依賴。隨著入射光功率降低，光響應度逐漸升高，響應時間逐漸減小，如圖3e和3f。在較低激光功率密度下，光響應特性的提升的原因是在MoS₂中存在缺陷態以及少量的載流子散射。在最低光功率5 pW下，type 6的光響應度和響應時間可達2.67 × 10⁶?A/W和5 ms/5 ms。隨著入射光波長的增加，光響應度逐漸降低，而響應時間也逐漸加快，然而對于type 6具有串聯式陣列化的MoS₂同質結，其在近紅外1064 nm波段依舊有著很高的光響應1.07 × 10³ A/W，以及有著超快的響應時間，上沿/下沿時間為5 ms/10ms。

圖3

4、機理解釋

作者通過開爾文探針力顯微鏡法(KPFM)表征了經ALE減薄的MoS₂和原MoS₂的表面功函數差，如圖4a，可以證實單層/多層MoS₂的功函數從4.45 eV變至4.62 eV，在同質結區有耗盡區。圖4b為單層/多層MoS₂同質結的能帶示意圖，由于同質結的耗盡區中內建電場的存在，當其被光輻射時，在單層和多層MoS₂中產生的光生空穴會向多層MoS₂中移動，而多層MoS₂產生的光生電子則會被界面缺陷所捕獲，而單層MoS₂所長生的電子會停留在遠離界面區。因此，與沒有同質結的MoS₂溝道相比，單層/多層MoS₂同質結中會有更多的光生載流子。對于type 6陣列化的單層/多層MoS₂同質結，采用串聯“納米橋”同質結，不僅增加了光載流子產生速率也加快了光響應速率，且在內建電場的作用下，通過構筑偽一維能量橋使載流子輸運性能得到提高。其性能的提升也可歸因于層間帶隙的作用，包括直接間隙、功函數差等，如圖4c所示。同時，作者就光響應度和響應時間比較了近期其他工作者的MoS₂光探測器，如圖4d和4e。可以看出，該工作的陣列化的單層/多層MoS₂同質結在保持快速光響應的同時，表現出最寬的光響應波長范圍和最高的光響應率。

圖4

5、結論

以上就是韓國“阿加西”Geun Young Yeom的心思巧妙的論文了。他提供了通過溝道材料層數選擇性控制來構筑高效MoS₂超快寬光譜探測的新方式。只需通過額外的選擇性層控制過程來增強光電子性能，即可輕玩轉各式各樣的MoS₂同質結，并應用于各種下一代TMDC基光電子器件。

參考文獻：

Ki Seok Kim, You Jin Ji, Ki Hyun Kim, Seunghyuk Choi, Dong-Ho Kang, KeunHeo, Seongjae Cho, SoonminYim, Sungjoo Lee, Jin-Hong Park, Yeon Sik Jung &Geun Young Yeom. Ultrasensitive MoS_2?photodetector by serial nano-bridge multi-heterojunction. Nature Communications 2019, 10, 4701

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12592-w

本文由linglingbb供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.