二維范德華（vdWs）異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器因其獲得可觀的光學導電性增益和器件可調(diào)性的能力而引起了人們的極大興趣。然而，超薄二維無機vdWs器件的光吸收通常較弱，導致探測性較低。此外，二維半導體的固有缺陷在輸運過程中會引起明顯的載流子捕獲和缺陷態(tài)散射，嚴重制約了器件的響應速度。本文采用二硫化鉬鎢（Mo
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2）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維半導體，采用N ' -二甲基-3,4,9,10-苝二氧亞胺（Me-PTCDI），器件的光吸收效率顯著提高，實現(xiàn)了快速響應和高探測率。系統(tǒng)地研究了基于Me-PTCDI和Mo
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2的ii型有機/無機雜化vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器。特別是，采用單層（ML） Me-PTCDI和多層（FL）Mo
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2的器件，探測率高達4.4 × 10
11 Jones，響應時間為24.9µs。利用該器件作為光傳感像素，展示了高精度的單探測像素成像系統(tǒng)，在快速成像應用中具有廣闊的前景。
圖1. 二維Me-PTCDI/Mo
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2 vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與表征a) Mo
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2和Me-PTCDI的平面結(jié)構(gòu)及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的疊加構(gòu)型；b、c) ML Me-PTCDI/FL Mo
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2異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品的光學顯微鏡和PL圖，其中Mo
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2和Me-PTCDI用虛線標記。ML - Me-PTCDI區(qū)域的綠色是由于PL熒光（激發(fā)波長：450 nm）。比例尺：10µm；d,e) ML Me-PTCDI、FL Mo
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2的PL熒光光譜和拉曼光譜，以及同一樣品在室溫下的雜化異質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)；
f)二維Me-PTCDI/Mo
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2 vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)。
圖2. 介紹了二維Me-PTCDI/Mo
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2 vdWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器的電學和光電性能。a) Me-PTCDI/Mo
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2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器原理圖；b)各V
ds下器件的V
g-I
ds傳遞曲線；c)各Vg下器件的V
ds-I
ds輸出曲線；d)測量到光電流的上升（τr）和下降（τf）時間分別為27.1µs和24.9µs，上升和下降曲線（藍色）用指數(shù)函數(shù)（紅色）擬合得很好；e) 633 nm照明下光電流與光強的關(guān)系；f)通過掃描波長為633 nm、功率為2.5µW、光斑尺寸為1µm的光束，實現(xiàn)光電流的空間映射。外加柵極電壓為−30v，漏源極電壓為2v。插圖顯示了設備的光學圖像。電極用白色虛線表示，Me-PTCDI用綠色虛線表示，異質(zhì)結(jié)構(gòu)用藍色虛線表示。比例尺尺寸為5µm。
圖3. 二維有機/無機異質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論建模與柵極調(diào)諧。a) Me-PTCDI分子HOMO和LUMO的電荷密度圖；b)用GW法計算Me-PTCDI/Mo
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2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的總態(tài)密度（DOS）和Me-PTCDI分子軌道的投影DOS；c)在V
g <0 V（左）、V
g = 0 V（中）和V
g > 0 V（右）條件下異質(zhì)結(jié)構(gòu)運行的能帶圖和示意圖。
圖4. 不同結(jié)構(gòu)和層厚的探測率和響應時間。a)在不同Me-PTCDI厚度下，光電探測器的探測率隨光功率的增加而降低。與沒有Me-PTCDI相比，厚Me-PTCDI層和ML Me-PTCDI/FL Mo
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2的器件的檢出率最高。在633 nm處進行測試；b)不同厚度的Mo
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2與Me-PTCDI不同組合的檢測性能比較，其中ML Mo
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2 1個，ML Me-PTCDI/ML Mo
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2 2個，F(xiàn)L Me-PTCDI/ML Mo
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2 3個，F(xiàn)L Mo
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2 4個，ML Me-PTCDI/FL Mo
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2 5個，F(xiàn)L Me-PTCDI/FL Mo
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2 6個。在633 nm處進行測試；c) ML - Me-PTCDI/FL Mo
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2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測的檢出率和響應時間優(yōu)于大多數(shù)二維有機/無機光電探測器。
圖5. ML - Me-PTCDI/FL Mo
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2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器的成像特性a)成像系統(tǒng)示意圖；
b)對圖像掃描系統(tǒng)獲得的圖像在633 nm處進行測試，測試條件為V
g =−30 V, V
ds = 2 V。
斬波頻率為60000hz；c)遮罩區(qū)和非遮罩區(qū)光電流響應圖。
相關(guān)研究成果由蘇州實驗室
Fengyuan Xuan、東南大學
Zhenhua Ni和南京郵電大學
Li Gao課題組2024年發(fā)表在
Laser & Photonics Reviews (鏈接: https://doi.org/10.1002/lpor.202400192)上。原文：High Speed Photodetector Based on 2D Organic/Inorganic Hybrid Van Der Waals Heterostructure Devices
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
