客户成果丨江南大学《Nanotechnology》:基于两步密闭空间CVD的高性能多层硒化钨/二硫化硒 p-n异质结光电探测器

二维p-n异质结因其在电学和光电器件中展现出的出色性能而备受瞩目。尽管已经通过机械剥离和堆积制备了多种异质结类型，但实现可控的异质结构生长仍然是一项艰巨的挑战。

近期，江南大学肖少庆课题组为解决这一难题，采用了两步碘化钾（KI）辅助受限空间化学气相沉积（CVD）的方法，成功制备了多层WSe₂/SnS₂ p-n异质结，来探究器件的电学和光电性能。结果显而易见的是，该器件表现出良好的整流特性，在可见光照射下，比探测率高达7.85 x 10¹² Jones，光响应达到了227.3 A W^-1，且具有166/440 μs的快速上升/下降时间。这些卓越性能可能源于结处超低暗电流和照明时高直接隧穿电流的产生。这一研究工作彰显了多层WSe₂/SnS₂异质结在高性能光电探测器中的潜在应用价值。

研究人员首先采用两步碘化钾（KI）辅助受限空间化学气相沉积(CVD)的方法制备了多层WSe₂/SnS₂ p-n异质结，接着在衬底上用光刻的方式绘制电极，而后制备出光电探测器，以验证这一实验方法的准确性。WSe₂/SnS₂光电探测器是利用托托科技的TTT-07-UV Litho-ACA（最小线宽：0.8μm）无掩膜版紫外光刻机制备的。无掩膜版紫外光刻机与传统光刻机相比，节约了制版的时间和费用，提高了图形设计的自由度，更值得一提的是，托托科技特别为研究二维材料性能的客户开放了直接绘制电极的功能，即通过交互式绿光虚拟套刻技术，让材料电极图形绘制和对准变得更加简单和精准。

图1 (a)制备多层WSe₂/SnS₂异质结构的两步CVD法示意图; (b)制备的多层WSe₂/SnS₂异质结构的原子结构示意图; (c)-(d)多层WSe₂/SnS₂范德华异质结构光学图像; (e)多层WSe₂/SnS₂异质结构的AFM图像; (f) Se 3d和(g) W 5p, 4f和(h) S 2p峰和(i) Sn 3d峰

肖少庆课题组证明了利用上述创新方法成功制备了多层WSe₂/SnS₂ p-n异质结。在通过一系列的形貌表征测试后，研究人员发现WSe₂/SnS₂ p-n异质结中存在强烈的层间耦合。此外，WSe₂/SnS₂光电探测器展现出高灵敏度，响应率达227.3 A W⁻¹，检测率高达7.85 × 10¹² Jones的同时，具有166 μs的最小响应时间。他们发现这些出色性能可能来自结处损耗区产生的超低暗电流以及照明时产生的高直接隧穿电流。

图2 (a) WSe₂/SnS₂异质结构的光学图像; (b) WSe₂、SnS₂和WSe₂/SnS₂异质结构的拉曼光谱; (c) WSe₂、SnS₂和WSe₂/SnS₂异质结构的PL光谱;(d) WSe₂ E_2g峰拉曼映射图; (e) SnS₂ A_1g峰拉曼映射图; (f) WSe₂的PL映射图像。

图3 (a)不同功率强度激光照射(520 nm)下多层WSe₂/SnS₂异质结构光电探测器的时间分辨光响应; (b)多层WSe₂/SnS₂异质结构光电探测器的响应度(R)和光电流(I_ph)随入射激光功率强度的变化关系; (c)多层WSe₂/SnS₂异质结构光电探测器的光强相关探测率(D*)。附图显示了异质结构光电探测器的光强依赖性外量子效率(EQE); (d) 520 nm激光照射下的时间分辨(单周期)光响应曲线;在447、520和637 nm激光照射下提取的最大响应度(R)以及探测率(D*) (e)和响应时间(f)。

综上所述，肖少庆课题组成员们的工作不仅为多层WSe₂/SnS₂垂直异质结构纳米片的合成提供了一种新方法，并且促进了这种多层异质结构纳米片在光电探测器中的应用。

相关成果以“High-performance multilayer WSe₂/SnS₂ p-n heterojunction photodetectors by two step confined space chemical vapor deposition”为题发表在期刊《Nanotechnology》上，得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家博士后基金等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6528/acfcc3