客户成果丨广东工业大学《ACS Applied Materials & Interfaces》：具有优异探测率的完全耗尽夹层的WS2MoTe2WS2异质结构光电探测器

广东工业大学郑照强教授课题组在二维材料光电探测器领域取得最新进展，该研究成果以"Sandwiched WS2/MoTe2/WS2 Heterostructure with a Completely Depleted Interlayer for a Photodetector with Outstanding Detectivity"为题目发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

基于二维范德华 (2D vdW) 异质结构的光电探测器具有高探测率和快速响应，已成为下一代成像应用的有希望的候选者。然而，目前研究的 2D vdW 异质结构的实际应用面临着与光吸收不足和光载流子分离不充分有关的挑战。

为了应对这些挑战，广东工业大学郑照强教授和浙江大学李京波教授课题组提出了一种夹层 WS2/MoTe2/WS2 异质结构，该异质结构具有完全耗尽的中间层，集成在镜电极上，用于高效光电探测器。这种精心设计的结构增强了光与物质的相互作用，同时促进了光载流子的有效分离和快速收集。由此产生的光电探测器表现出从深紫外到近红外波长的宽带光响应。在自供电模式下工作时，该设备表现出 22/34 μs 的出色响应速度，以及在 635 nm 照明下令人印象深刻的 8.27 × 1010 Jones 探测率。此外，通过施加 −1 V 的偏置电压，探测率可以进一步提高到 1.49 × 1012 Jones，同时仍保持 180/190 μs 的快速响应速度。利用这些出色的性能指标，已成功使用该设备展示了高分辨率可见近红外光成像。我们的研究结果为优化各种光电应用的设备架构提供了宝贵的见解。

关于WS2/MoTe2/WS2  光电探测器的制备。研究人员首先通过托托科技的TTT-07-UV Litho 无掩膜版紫外光刻机（最小线宽：0.8μm）制作了沟道，并通过电子束蒸发工艺制备作为底部反射层的金属电极，接着通过常见的机械剥离工艺和PVA辅助干法转移依次堆叠WS2和MoTe2制备WS2/MoTe2/WS2 结构。

图 1. (a) SiO2/Si 衬底上的WS2/MoTe2/WS2  光电探测器的示意图和 (b) 光学图像。在图 (b) 中，黄色虚线表示 WS2 的位置，而红色虚线表示 MoTe2 的位置。(c) WS2 和 MoTe2 层的 AFM 台阶高度分布。(d) 在 532 nm 激光激发下的 WS2、MoTe2 和异质结的拉曼光谱。(e) 在 WS2 和 MoTe2 之间的界面处捕获的开尔文探针力显微镜 (KPFM) 图像。(f) WS2/MoTe2/WS2  vdW 异质结的差分电荷密度图，其中浅红色区域表示电子增益，紫色区域表示电子损失。

图 2. (a) 零偏压下不同波长照射下异质结构器件的归一化时间相关光响应。635 nm 光照射下异质结构器件的瞬态响应曲线，偏压为 (b) 0 和 (c) −1 V。(d) 对脉冲 635 nm 激光的响应，持续 350 个周期。左侧和右侧的内部放大图像分别显示了响应曲线的初始部分和最终部分。

图3. (a) 示意图说明了用于成像功能的成像系统。(b−e) 利用 405、532、635 和 808 nm 激光器作为光源的异质结构器件的成像结果。

总之，本研究成功实现了合理的几何设计，并展示了夹层 WS2/MoTe2/WS2  异质结构光电探测器，该探测器集成了底部镜电极。异质结构器件不仅显著改善了光与物质的相互作用，而且还有助于高效分离和快速收集光载流子。因此，异质结构器件表现出广泛的光响应，涵盖深紫外至近红外波长，并伴有超快的上升/下降时间 (22/34 μs)、3.59 pW Hz-1/2 的低 NEP 以及在 635 nm 照明下令人印象深刻的 8.27 × 1010 Jones 探测率。此外，通过将偏压优化至 −1 V，NEP 和探测率可进一步增强至 1.79 fW Hz−1/2 和 1.49 × 1012 Jones，同时保持 180/190 μs 的快速响应速度。此外，还展示了概念验证的可见光-近红外光成像能力，表明该设备具有用于全彩色 RGB 成像系统的潜力。这项研究突出了一种有趣的功能耦合架构，为下一代光电设备铺平了道路。

原文详情：https://doi.org/10.1021/acsami.4c06712