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镍纳米颗粒在MoS2上的光电效应实现高性能可见-近红外光光检测

重点摘要

最近,中国科学院的Weimin Liu团队和西北工业大学的Weihong Qi团队发表了一项研究。

  • 通过在MoS2中引入硫空缺,实现了缩小能隙,从而实现了宽带光检测。
  • 在MoS2上装饰镍纳米颗粒引发了提高性能的光门效应。
  • 在532和980纳米照射下,实现了21和1.38 A W−1的高灵敏度。
  • 在532和980纳米照射下实现了9 × 1012和8.9 × 109 Jones的检测度。
  • 利用镍纳米颗粒实现了更快的光响应时间。
  • 这种纳米复合策略优化了MoS2中的缺陷工程,实现了高性能的宽带光检测器。

研究背景

二维硫化钼(MoS2)是光电应用中的有望材料,包括光检测器,具有高载流子迁移率、强光吸收和可调谦带隙等特性。通过在MoS2中引入硫空缺,可以通过缩小能隙并创建缺陷态来增强宽带光检测性能。然而,硫空缺也可能导致载流子捕获,进而降低光响应速度。过渡金属纳米颗粒如镍(Ni)可以与MoS2发生相互作用,但尚未探索镍纳米颗粒提高MoS2的光检测能力的潜力。这项工作旨在通过缺陷工程和镍纳米颗粒装饰来开发一种MoS2基光检测器,实现可见光和近红外波长下的增强灵敏度,光响应速度更快。纳米复合策略旨在克服MoS2中使用缺陷态的问题,实现高性能的宽带光检测器。

研究成果

  • 热处理剥离的MoS2引入了比仅剥离更多的硫空缺,XPS和EPR数据证实了这一点。
  • 硫空缺创造了缺陷态,通过缩小能隙实现了MoS2的宽带光检测。
  • 在MoS2片上装饰镍纳米颗粒引发了无门光检测效应。
  • 这种光门效应源于镍向MoS2的电荷转移,导致电子减少并积聚在镍纳米颗粒中。
  • 利用Ni/MoS2器件实现了532纳米照射下21 A/W和980纳米照射下1.38 A/W的高灵敏度。
  • 利用Ni/MoS2器件实现了532纳米照射下9 x 1012 Jones和980纳米照射下8.9 x 109 Jones的高检测度。
  • 利用镍纳米颗粒实现了50毫秒的更快光响应时间,而532纳米照射下则为120毫秒。
  • 光门效应抑制了陷阱辅助复合并增强了载子的传输,从而优化了灵敏度、响应度和响应速度。
  • 性能改进在灵敏度、检测度和速度方面优于以前MoS2基光检测器的报告。
  • 纳米复合策略成功优化了MoS2中的缺陷工程,实现了高性能的宽带光检测器。

研究方法

  • 通过将MoS2片剥离自体晶体,使用胶带剥离。
  • 通过湿浸镍前体溶液,然后H2还原热处理创建Ni/MoS2混合结构,在MoS2片上沉积镍纳米颗粒。
  • 通过热处理过程在MoS2片中引入硫空缺。
  • 通过将MoS2片转移到预先图案化的金电极的SiO2/Si基板上制作光电探测器器件。
  • 在532纳米和980纳米激光照射下测量光电性能。进行XPS、拉曼、TEM等表征。

结论

总之,我们的研究成功地通过引入硫空缺并在MoS2多层光检测器中添加镍纳米颗粒,提高了光电性能。硫空缺实现了有效的近红外光检测,而光伏效应导致电子流入镍纳米颗粒,充当负电压门。由此产生的光门效应抑制了陷阱辅助复合并增强了载子的传输,从而优化了灵敏度、响应度和响应速度。这种新型的金属-半导体混合光检测机制提供了一种替代方案,可以减小缺陷工程的不利影响,实现高性能、宽波段光检测。

关键字:photodetector

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MoS2 器件的 I-V 曲线

MoS2 器件的时间依赖性光响应。

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