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客户成果丨江南大学《ACS Applied Materials & Interfaces》：具有界面调控的MoS2/BP异质结的高响应度、宽光谱范围、大各向异性比和自驱动探测

成像系统的发展要求光电探测器具有高灵敏度、宽光谱探测能力、偏振检测和自驱动等多项功能。这项研究深入研究了在0偏置电压下MoS2/BP光电探测器的电学和光学响应性的增强。通过利用温和等离子体技术对硅基衬底进行改性，改善了表面状态，增强了与2D材料的界面耦合，实现了响应度、光谱探测范围、响应时间和偏振比等方面的综合进步，这对于自驱动多功能2D光电探测器的实际应用至关重要。

江南大学集成电路学院南海燕/肖少庆课题组在光电子学领域/研究中取得最新进展，该研究成果以“High Responsivity, Wide Spectral Range, Large Anisotropy Ratio and Self-Driven Detection of MoS2/BP Heterostructure with Interfacial Regulation”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

本研究采用温和等离子体技术对硅基衬底进行表面改性处理，增强衬底与MoS2/BP的界面相互作用，从而提高异质结光电探测器的响应度和偏振性能。该光电探测器具有从可见光到近红外(447-1550 nm)的宽光谱灵敏度和自驱动光电探测能力。637 nm处的最大光电流在0 V偏压下达到3.73×10-8 A，最大响应度为110.68 A/W，超过未处理衬底上的比较器件500倍以上。近红外区1550 nm处的响应性提高了3个数量级以上。此外，光电探测器表现出出色的响应速度，上升和下降时间分别为4.8和5.7 μs。偏振比从0.18提高到0.51。

低温PL方法对各种衬底上MoS2的缺陷强度和峰位置的集中分析证实光电探测器电性能的增强和费米能级的移动主要是等离子体处理衬底的结果。MoS2附着到处理过硅基衬底上后，第一，与原始基底上的样品相比，PL强度明显更高。第二，随着温度降低，2D材料内部缺陷的缺陷峰显示出明显的抑制效应。

图1. MoS2的低温PL。(a) 80 K下不同衬底上MoS2及其结区的PL比较。(b) 220 K以下不同衬底上MoS2的激子和缺陷PL强度的比较。(c) 根据低温下激子峰强度和缺陷峰强度拟合活化能。(d) 不同温度下MoS2在不同衬底上的激子和缺陷PL峰位置。

图2. MoS2/BP异质结光电探测器的光电特性。(a) 在940 nm的不同激光功率下的对数输出特性曲线。(b) 940 nm以下的线性输出特性曲线。(c) 在相同条件的激光照射下两种衬底器件的光响应电流值的比较。(d) 在940 nm不同激光功率下的光电响应。(e) 两种衬底上光电流随光功率的变化趋势及其拟合曲线。(f) 两个衬底上的响应度随激光功率的变化趋势。

图3. MoS2/BP异质结光电探测器的宽光谱探测。(a) 光电响应随1310 nm波长的激光功率的变化趋势。(b) 光电响应随1550 nm波长的激光功率的变化趋势。(c) 在两种近红外波长下光电流和入射光功率的依赖曲线。(d) 近红外波长光激发的能带示意图。

在1310 nm激光照射下拟合的α值为1.15；在1550 nm激光照射下拟合的α值为1.17。值得注意的是，在近红外短波区(940 nm)测量的α值与近红外长波区的α值(> 1)显著不同，这表明一些非线性效应在起作用。在等离子体处理的衬底增强型MoS2/BP光电探测器中，近红外长波长区的光电效应主要发生在BP区。在波长为1550 nm的光照下，BP的窄带隙主要吸收近红外光，产生电子空穴对，由异质结的内建电场驱动产生电流。此外，经处理的衬底对MoS2的强掺杂效应显著增强了光电探测器的光电流和响应度。这些衬底对异质结中MoS2的电子掺杂效应导致光电流随功率增加而增加，导致α大于1的超线性关系。在近红外长波区域和低电流值下观察到这种现象。通过等离子体处理在衬底上掺杂异质结(或MoS2)可以大大提高MoS2/ BP光电探测器的光电性能。这不仅改善了光谱检测，而且增强了偏振检测能力。