客户成果 | 河南省科学院物理研究所《AFM》: WS₂纳米管丛实现形貌驱动的半导体极性调控

成果介绍

河南省科学院物理研究所魏士敬助理研究员课题组在新型半导体光电探测领域中取得最新进展，该研究成果以“Polarity-Modulated P-Type WS2 Nanotube Thickets for High-Performance Photodetection”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。该工作提出了一种以形貌工程为核心的半导体极性调控新策略，在无需外源掺杂的条件下，实现了二维过渡金属硫化物材料中稳定且可控的p型输运。

WS2纳米管丛形貌、器件结构及温度依赖的极性和线性光响应调控

图文导读

二维（2D）材料光电探测器在光通信、智能成像和信息处理等领域具有重要应用前景，但其本征n型特性限制了高性能p型器件的发展。针对这一挑战，该研究通过金纳米颗粒催化化学气相沉积法，在SiO2/Si衬底上构建了一种全新的WS2纳米管丛（NTTs）结构。该结构由大量多壁纳米管高度交织而成，形成具有内建应变场、丰富界面态以及强管间耦合的三维网络体系。这一独特的“纳米管丛”形貌不仅改变了材料的几何结构，更在微观尺度上重构了其电子结构，使WS2在无需任何掺杂或表面处理的情况下，由本征n型自发转变为稳定的p型导电行为。

结合变温电学测试与第一性原理计算，研究表明：NTTs中的曲率应变、管间耦合以及界面态协同作用，共同驱动了能带结构的重排，使费米能级向价带移动，从而稳定p型输运行为。基于WS2 NTTs的光电晶体管在650 nm激光照射下，器件的响应度可达2.7 × 104 A W−1，比探测率达到1.6 × 1013 Jones，外量子效率高达6.3 × 106%。此外，该器件在10–300K的宽温区间内表现出稳定的工作特性，并成功实现了成像及光通信等多种功能验证，展现出良好的应用潜力。

图1. WS2纳米管丛的直接CVD制备及相应表征图像。a) 生长过程示意图。b) WS2纳米管的原子结构。c-d) WS2 NTTs的明场与暗场光学图像。e-f) SEM图像。g) TEM图。标尺说明：c)、d)中为10 μm，e)、f)中为500 nm，g)中为10 nm。

图2. WS2纳米管丛光电探测器及其相关表征。a) WS2 NTTs光电探测器的光学图像及对应结构示意图。标尺：5 μm。b) 拉曼光谱。c) PL光谱。d) AFM图像。e) KPFM图像。f) 沿AFM图像中红色虚线的高度曲线。g) 沿KPFM图像中白色虚线的接触电势差曲线。

图3. WS2纳米管丛光电探测器的电学与光电探测性能。a) 器件在不同漏源电压下的转移曲线。b) 器件在不同背栅电压下的输出曲线。c) 不同温度下的转移曲线。d) 暗态与光照条件下的栅控响应。e) 不同激光强度下的输出特性曲线。f–h) 光电流Iph、响应度R、外量子效率EQE以及探测率D∗随入射光功率Pin的变化关系。波长λ=650 nm。i) 噪声电流功率谱密度S(f)。

结论与展望

该工作从“形貌—应变—能带”协同调控的全新视角出发，建立了结构设计驱动载流子极性调控的物理机制，为二维半导体中实现可控极性提供了一种通用且可扩展的策略，有望推动二维材料在下一代光电子器件中的实际应用。

该工作中通过使用TuoTuo Technology的无掩模紫外光刻机（ATS-07-UVLitho-ACA）完成了光电器件的电极制备工作。

作者信息介绍：河南省科学院物理研究所徐金鹏助理研究员为论文第一作者，魏士敬助理研究员和西北工业大学罗小光副教授为论文的共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.75293