自然出版集團(tuán)《NPJ·二維材料和應(yīng)用》：魏大程課題組發(fā)現(xiàn)提高光電探測靈敏度的“巨光電柵效應(yīng)”
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? ? ? ?近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏大程團(tuán)隊(duì)在高性能二維光電探測器件研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“二維范德瓦爾斯有機(jī)/二硒化鎢異質(zhì)界面的巨光電柵壓效應(yīng)”（Large Photoelectric-Gating Effect of Two-Dimensional van-der-Waals Organic/Tungsten Diselenide Heterointerface）為題在線發(fā)表于自然出版集團(tuán)《NPJ·二維材料和應(yīng)用》（NPJ 2D Materials and Applications, 2: 21; doi:10.1038/s41699-018-0066-2）。
??????二維過渡金屬硫?qū)倩衔锶缍蚧f(MoS2)和二硒化鎢(WSe2)因強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用、高載流子遷移率、帶隙可調(diào)、暗電流小等優(yōu)點(diǎn)在光電領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。然而由于二維材料高透光率的限制，基于本征材料的光電探測器靈敏度難以進(jìn)一步提升。為解決這一問題，光柵效應(yīng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高性能光電探測的有效方法，它可通過引入光吸收材料和二維材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。界面電荷捕獲對實(shí)現(xiàn)光柵調(diào)控具有重要意義，但是目前仍缺乏捕獲過程的有效控制，異質(zhì)結(jié)界面處難以積累較多的光生載流子，從而造成普通光柵調(diào)控提升的光響應(yīng)靈敏度有限。
??????為了解決光柵調(diào)控存在的問題，進(jìn)一步提高器件響應(yīng)靈敏度，魏大程團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于新原理（即“巨光電柵調(diào)控”）的光電探測器件。他們通過氣相沉積的方法在表面外延生長一種有機(jī)層，制備出二維有機(jī)/ WSe2異質(zhì)結(jié)，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)存在一種基于光柵與電柵協(xié)同作用的“巨光電柵壓效應(yīng)”。異質(zhì)結(jié)界面處具有載流子單向注入的勢壘，電柵可調(diào)控勢壘高度，從而顯著增強(qiáng)界面對電荷的捕獲能力，實(shí)現(xiàn)比普通光柵效應(yīng)更高的光響應(yīng)靈敏度。光響應(yīng)靈敏度達(dá)到3.6×106 A/W，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器，比如PbS/WSe2 (2×105 A/W), PPh3/WSe2 (6.67×105 A/W), 石墨烯/WSe2/石墨烯 (0.01 A/W), MoS2/WSe2 (0.12 A/W), MoTe2 p-n 結(jié) (5×10?3 A/W)等。文中還發(fā)現(xiàn)外延生長中足夠濃度的氣相有機(jī)分子有利于形成理想的二維范德瓦耳斯界面，是獲得“巨光電柵效應(yīng)”是關(guān)鍵因素之一。
??????此外，基于“巨光電柵效應(yīng)”，課題組開發(fā)了一種新型的光電探測器件，即電柵開關(guān)光電探測器。這種器件可以通過柵極電壓打開或關(guān)閉光電探測器，同時通過柵極電壓還可以調(diào)節(jié)響應(yīng)電流的大小?？傊?，“巨光電柵效應(yīng)”是一種設(shè)計光電探測器的新策略，不僅可以用于高性能光電探測器件，而且在新型光電器件研發(fā)領(lǐng)域也表現(xiàn)出巨大潛力。
??????以上相關(guān)成果發(fā)表在NPJ 2D Materials and Applications上，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位，高分子科學(xué)系碩士生蔡智為第一作者，魏大程為通訊作者。
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??????圖a. 器件示意圖和光照下光生載流子的捕獲過程；圖b. 光照下WSe2（左圖）、普通光柵作用下異質(zhì)結(jié)（中間）和“巨光電柵效應(yīng)”作用下異質(zhì)結(jié)（右圖）的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；圖c, “巨光電柵效應(yīng)”作用下器件性能和文獻(xiàn)報道數(shù)據(jù)的對比； 圖d. 電柵開關(guān)光電探測器在不同柵壓下的光電流響應(yīng)。
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