Forskere afslører arbejdsmekanismen for flerlags MoS₂-fotodetektor med bredt spektralområde og multibåndsrespons

Som et typisk todimensionelt materiale, MoS₂ udviser unikke optiske og elektriske egenskaber på grund af dens atomare tykkelse i den vertikale dimension, hvilket gør det til et forskningshotspot inden for optoelektronisk detektion.

Ydeevnen for MoS₂ enheder afhænger i høj grad af deres materialeegenskaber, enhedsstrukturer og fremstillingsteknikker. Derfor er fotodetektionsegenskaberne for MoS₂ enheder kan bestemmes af forskellige fysiske effekter, som bidrager til udviklingen af ​​bredbånds MoS₂ -baserede fotodetektorer.

Et forskerhold fra School of Electronic Science and Engineering ved Southeast University har udviklet wideband MoS₂ fotodetektor, der dækker et område fra 410 til 1550 nm. Gennem en række elektriske og optoelektroniske eksperimenter afslører papiret arbejdsmekanismen for den multibånds optiske respons fra MoS₂ enhed.

Værket er publiceret i tidsskriftet Advanced Devices &Instrumentation .

I de senere år har bredbåndsfotodetektorer spillet en vigtig rolle inden for forskellige områder såsom optisk kommunikation, billeddannelse, transmission, sensing, miljøsikkerhed og overvågning. Som et typisk todimensionelt materiale, molybdændisulfid (MoS₂ ), et overgangsmetal dichalcogenid, har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af dets fremragende elektriske og optiske egenskaber samt dets lette behandling.

Men båndgabet af MoS₂ begrænser detektionsområdet for dets fotodetektorer. For at udvide svarområdet for MoS₂ fotodetektorer er der rapporteret om forskellige kemiske behandlingsmetoder. Derudover integration af MoS₂ detektorer med fotoniske nanostrukturer muliggør forbedret og udvidet lysrespons.

Ikke desto mindre, mekanisk eksfolieret MoS₂ fotodetektorer fremstillet uden behov for kemisk behandling har uerstattelige fordele. Opnåelse af sub-bandgap fotodetektion i overgangsmetal dichalcogenider gennem mekanisk eksfoliering er blevet et fokus i den nuværende forskning. Ydeevnen af ​​todimensionelle materialefotodetektorer er desuden tæt forbundet med enhedsstrukturer og fremstillingsmetoder.

I denne undersøgelse er en flerlags MoS₂ felt-effekt transistor (FET) fotodetektor blev fremstillet ved hjælp af en mekanisk eksfolieringsmetode, der udviser et bredt spektralt detektionsområde på op til 1550 nm. Eksperimentelle resultater viser, at den optimerede MoS₂ FET udviser lavere modstand og mere stabile portkontrolkarakteristika.

Ved mekanisk eksfoliering af flerlags MoS₂ under præ-overførselsprocessen blev høj responsivitet og specifik detektivitet opnået under 480 nm belysning. Enheden udviser gode output- og transmissionsegenskaber under indfaldende lys i området fra 410 til 800 nm, og den er lysfølsom. Responsbåndbredden kan udvides til 1550 nm, hvilket muliggør bredbåndsrespons på tværs af flere spektrale områder.

Derudover blev bærertransportkarakteristika og tidsafhængige reaktioner af enheden ved forskellige bølgelængder analyseret. Detektion af synligt lys er baseret på de fotoledende og fotogeringseffekter, mens infrarødt lysdetektion ud over båndgabet primært afhænger af den fototermiske effekt.

Et forskerhold fra Southeast University forklarede de forskellige elektriske egenskaber mellem pretransfer og post-transfer MoS₂ enheder gennem de forskellige kontakttilstande mellem MoS₂ og Au. Overfladepotentialforskellen (SPD) ved MoS₂ -Au junction af en post-overførsel MoS₂ enheden blev observeret ved hjælp af Kelvin probe kraftmikroskopi.

På baggrund af måleresultaterne af SPD og forskellen i arbejdsfunktion blev det fundet, at arbejdsfunktionen af ​​MoS₂ er ca. 0,05 eV mindre end Au. Energibånddiagrammet før og efter kontakt afslørede tilstedeværelsen af ​​en Schottky-barriere ved MoS₂ -Au interface, hvilket resulterede i ringere elektrisk adfærd. I tilfælde af præoverførselsenheder, MoS₂ -Au-grænsefladen var påvirket af Fermi-niveau-pinning, hvilket førte til en reduktion i arbejdsfunktionen for Au under MoS₂ . Som et resultat blev der dannet Ohmic-kontakt ved MoS₂ -Au interface, reducerer kontaktmodstanden og øger strømmen.

Denne undersøgelse præsenterer en optimeret mekanisk eksfolieret flerlags MoS₂ back-gated detektor med multi-band fotodetektionsfunktioner. Under den optimerede præ-overførselsfremstillingsproces udviser enheden forbedret ladetransportydelse.

Uden behov for kemisk behandling, MoS₂ detektor opnår en bred spektral fotodetektion ud over MoS₂ båndgab. Enheden demonstrerer en maksimal reaktionsevne på 33,75 A W ⁻¹ ved synligt lys (480 nm), med en tilsvarende specifik detektivitet på 6,1×10 ¹¹ cm Hz ^1/2 W ⁻¹ . Responsmekanismen under synligt lys tilskrives de fotogerings- og fotokonduktive effekter.

Derudover viser enheden en respons ved 1550 nm infrarødt lys, der overgår båndgab-begrænsningen, som tilskrives variationen i bærerkoncentration forårsaget af den fototermiske effekt. Enhedens bredbåndsfotodetektionsadfærd tilskrives den fotoelektriske effekt i synligt lys og den fototermiske effekt i infrarødt lys, hvilket giver indsigt i rumtemperatur bredbåndsdetektion og demonstrerer et betydeligt potentiale inden for forskellige områder såsom infrarød stealth, maskinsyn og miljøovervågning .

Flere oplysninger: Xia-Yao Chen et al., Multilayer MoS 2-fotodetektor med bredt spektralområde og multibåndsrespons, Avancerede enheder og instrumentering (2024). DOI:10.34133/adi.0042

Leveret af Advanced Devices &Instrumentation