基于二维范德华异质结的高性能红外自供电光电探测器，响应范围可扩展至中波红外

MEMS 2025-02-19 00:02 430浏览 0评论 0点赞

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红外探测器以其良好的穿透性、较强的抗干扰能力和较高的成像分辨率，被广泛应用于通信、军事等许多重要领域。从传统的三维（3D）HgCdTe和InGaAs到最近的二维（2D）材料和各种异质结构，许多材料已被用于构建红外光探测装置。与可见光和紫外光电探测器中的材料相比，红外光电探测器中的材料都是窄带隙材料。因此，在偏置电压下，红外器件中存在较大的暗电流。遗憾的是，目前大多数红外探测器都需要外部偏置来驱动这是近年来高性能红外光探测的一个重大内在问题。采用自供电光电材料是解决大暗电流问题的有效途径。在某种意义上，自供电光电材料类似于太阳能电池中的材料。两者在光照下都会产生内置电场，可作为偏置电压。通常，内置电场可以通过如体光伏效应和界面效应等内在效应来产生和分离载流子。如果采用自供电材料制成红外光电探测器，不仅可以避免外部偏置下的高暗电流，而且更加便携和节能。近年来，红外自供电光电探测器（ISPD）取得显著进展。

近年来，2D/3D异质结构虽然具有高探测性能，但也存在一些明显缺点。一方面，三维材料表面的悬垂键和两种材料之间的晶格失配会引起严重的界面问题，从而增加暗电流、提高电子-空穴复合率。另一方面，2D/3D异质结构无法满足未来光电器件微型化、超薄化和柔性化的要求。与基于2D/3D异质结构的红外探测器相比，基于2D/2D范德华（vdWs）异质结构的红外探测器可以克服上述不足。然而，迄今为止鲜有关于基于2D/2D异质结构的高性能ISPD的研究。大多数关于二维异质结构自供电能力的研究主要集中在可见光波段，而非红外波段。因此，有必要探索基于2D/2D异质结构来构建高性能ISPD的可行性。

据麦姆斯咨询报道，近日，江苏大学的科研团队提出了由二维过渡金属二硫化物（TMD）MoX₂（X = S、Se和Te）与PdSe₂制成的具有红外响应二维范德华异质结构。异质结构还具有良好的环境稳定性和红外成像能力。此外，提出了构建2D/2D高性能红外自供电光电探测器（ISPD）的三个必要条件，即功函数差异大、红外吸收高和II型波段对准。这项研究以“High-Performance Infrared Self-Powered Photodetector Based on 2D Van der Waals Heterostructures”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

研究人员首先制作了一些由二维PdSe₂和二维MoX₂（X = S、Se和Te）组成的范德华异质结构。图1展示了代表性结构2D/2D异质结构PdSe₂/MoTe₂及其结构参数。另外，光吸收能力是光电探测器的关键因素，因次，研究人员比较了一些二维Mo基材料样品和PdSe₂样品的光吸收，相关结果如图2所示。

图1 代表性异质结构PdSe₂/MoTe₂的表征

图2 二维材料MoX₂ (X = S、Se、Te)、PdSe₂及其范德华异质结构的光吸收表征

自供电光电探测器需要内置电场，而异质结构中的内置电场取决于功函数、能带对准等。研究人员通过紫外光电子能谱（UPS）测试了二维材料的功函数和价带，通过开尔文探针力显微镜（KPFM）用于确认三种异质结构的表面电位差异，相关结果如图3所示。

图3 范德华异质结构的功函数和能带对准差异

随后，研究人员对三种范德华异质结构器件（PdSe/MoS₂、PdSe₂/MoSe₂和PdSe₂/MoTe₂器件）的光电响应做了详细的测量，相关结果如图4所示。同时，还分析了这三种范德华异质结构器件在不同光响应下的自供电能力，相关结果如图5所示。PdSe₂/MoTe₂器件在三种器件中自供电红外光响应表现最佳。

图4 异质结构器件PdSe₂/MoX₂（X = S、Se和Te）的光响应随波长的变化规律

图5 三种范德华异质结构器件在不同光响应下的自供电能力

研究人员详细研究了PdSe₂/MoTe₂器件在980 nm光照下的光响应特性，结果如图6所示。此外，为了进一步揭示异质结构PdSe₂/MoTe₂的自供电的起源，研究人员测量了PdSe₂/MoTe₂的电子特性。图7a显示了自供电设备中光电流的空间分布，证明了光伏效应在器件中的电子-空穴传输中占主导地位。图7c展示了异质结构PdSe₂/MoTe₂的理论计算电荷密度差。

图6 PdSe₂/MoTe₂器件在980 nm光照下的光响应特性

图7 PdSe₂/MoTe₂器件在980 nm光照下的光电流的空间分布、能带图和电荷密度差

综上所述，这项研究成功地制备了由典型的二维TMD构成的范德华异质结构，并系统地研究了其自供电光响应特性。在所有异质结构中，PdSe₂/MoTe₂是一种高性能的ISPD。该PdSe₂/MoTe₂器件不仅具有良好的自供电能力，而且具备300 -4050 nm的宽带探测能力。在近红外波段，该PdSe₂/MoTe₂器件的响应率和探测率分别接近395 mA·W⁻¹和1.92×10¹¹ Jones，可以与高性能基于2D/3D的ISPD相媲美。该器件自供电能力源于天然PN结和较高的功函数差，红外光响应源于二维PdSe₂和MoTe₂，且异质结构还具有良好的环境稳定性和红外成像能力。此外，这项研究还提出了构建2D/2D高性能ISPD的三个必要条件，即功函数差异大、红外吸收高和II型波段对准。这将为寻找高性能的ISPD提供指导。这项研究只探究了由典型二维TMD制成的二维范德华异质结构，而二维材料众多，更多优秀的ISPD有望出现并实现更多应用。