ACS Nano ：新型曲面二维材料-基于Au@MoS2核壳异质结构的等离子体增强光电传感器

【引言】

在过渡金属硫化物中硫化钼作为一个近年来备受瞩目的半导体在众多领域中得到了发展，比如电子晶体管，光敏器件，生物成像等。少层硫化钼因其传输特性（高的ON/OFF比）以及直接带隙等优点被认为是在光电探测器领域中极具潜力的新材料。虽然众多研究人员对其进行了大量的研究，但是目前取得的成就只能在大电压以及超小的的照射能量下实现，同时需要牺牲大量的相应和恢复时间。

为解决这一问题，引入等离子体纳米结构（Ag，Au）的光捕获特性 提高光——材料接触是一种重要的方法。当嵌入到半导体中，这些纳米结构通过与入射光耦合在局部表面等离子体共振(LSPR)的频率上，触发了电磁场的再分配、定位和增强。通过近场电磁场的增强和纳米结构光散射引起的光路径长度的增加，可以改善周围材料的光吸收。这种光吸收的放大已经被证明是光传感设备的一个关键优势。此外，入射光可以与嵌入在半导体器件中的贵金属纳米结构的表面等离子体相结合。随后，等离子体的无辐射衰变产生了所谓的高能“热电子”。在金属半导体界面上的“热电子”进一步注入，导致光电流响应的产生，但是响应率非常低(小于100μA /W)。最近，一种等离子体诱导界面电荷转移转换的概念被证明可以通过直接刺激一个电子进入强耦合的半导体受体来使等离子体衰变。这种超快的电子空穴对生成原理可能为光收集和转换应用提供了一个很有前景的范例。然而，它需要通过一个紧密的界面将金属纳米结构和半导体直接交互作用，但在传统的化学合成或物理混合异质结器件中很难实现。

【成果简介】

近日，来自美国西北大学的李渊博士（第一作者），陈新奇教授（通讯作者）和Vinayak P. Dravid教授（通讯作者）等人在ACS Nano上发表文章，题为：Superior Plasmonic Photodetectors Based on Au@MoS₂ Core−Shell Heterostructures。研究人员采用Au@MoS₂异质结用于等离子体增强光电探测器。研究人员探索了他们在不同类型的感光设备上的良好应用。第一类器件涉及到一个大面积的交叉场效应光电晶体管的开发，显示出了比平面的MoS₂晶体管高10倍的光反应率。另一种类型的设备几何形状是硅支持的Au@MoS₂异质结光电二极管。研究人员展示了其优越的光响应和恢复能力，其光响应率高达22.3A/w，这超出了以前报道过的类似无门的光电探测器的最显著值。光传感性能的提高可以是多种因素的综合结果，包括增强的光吸收，创造更多的陷阱状态，以及可能形成的界面-转换过渡，从Au和MoS₂的密切接触中受益。

【图文导读】

图1 . Au@MoS₂ 异质结概念和结构

(a) Au核−多层MoS₂ 核结构示意图；

(b) (a) 中核壳的原子级接触；

(c)单独Au@MoS₂ 核壳上DDA-仿真电场分布(插图);

(d) Au@MoS₂ 异质结中可能的光载流子产生途径示意图；

图2. Au@MoS₂异质结整列图以及其光学性能

(a) 生长在EBL上的Au@MoS₂ 异质结SEM图；

(b,c) (a)中Au@MoS₂ 异质结图；

(d) (a)中不同位置的拉曼和光致发光图谱；

图3. 原子形貌和界面结构

(a)单独的Au@MoS₂核壳的TEM图

(b,c) Au和MoS₂ 界面的高分辨TEM/STEM图

(d) 转移到多孔碳膜上的TEM区域的Au@MoS₂ 异质结和MoS₂ 底层的SEM图；

(e) (d)区域的SEM图；

(f,g) (d)区域的TEM图；

(h,i)有和没有Au@MoS₂ 异质结区域的衍射图样，相应区域见插图；

图4. Au@MoS₂ 异质结场效应光电晶体管

(a) FET器件示意图；

(b) FET器件光学显微镜图；

(c) 相应传输特性；

(d) 不同门电压的I−V曲线；

(e) 光照下 I−V曲线的变化；

(f) 不同光照能量下的传输曲线；

(g) 周期光照下的I−t曲线；

(h−j)能带图表明Au@MoS₂光电晶体管中可能的电荷产生和传输机制；

图5. Si支撑的Au@MoS₂ 无门光电二极管

(a) 无门器件示意图

(b) 无门器件光学显微镜图；

(c) 暗态下I−V特征；

(d) 光照下 I−V曲线的变化；

(e) 在周期光照下不同器件的I−t 曲线；

(f) Si−Au@MoS₂ 器件中光电流和相应于光照能量的关系；

(g) Si−Au@MoS₂ 器件中发现响应和吸收度的协同作用作为光照波长的函数；

(h−j)能带图解释Si−Au@MoS₂ 光电探测器光电流产生机制

【总结】

Au@MoS₂异质结构的关键优点是Au核心和MoS2的直接的原子级无缝接触。在研究中，研究人员报告了在两种等离子体光电探测器上的良好应用，即一个Au@MoS₂场效应光电晶体管和一个硅支持的Au@MoS₂ p-n结光电二极管。研究人员观察到，与类似的基于平面MoS₂探测器相比，这种新型结构的光电探测器的光电流产生了显著的增强。研究人员将这种改进归因于高效的光电载波生成路径的形成，可能是 PHET/PICTT，增加了光吸收和电子空穴对产生效率，并且等离子体在Au@MoS₂核壳几何中增加了额外的电荷陷阱。研究人员的研究展示了该类过渡金属硫化物二维半导体材料未来发展的可能性, (1) 克服了先前在传统化学合成异质结构过程中不可避免的界面残留问题；(2) 引入了一个方法来开发光电晶体管使其能够工作在他们的“ON”状态,没有漏极电流限制；(3) 为在未来半导体和等离子体科学的研究和应用中提供了重要的参考。

文献链接：Superior Plasmonic Photodetectors Based on Au@MoS₂ Core−Shell Heterostructures (ACS Nano. 2017.,  DOI: 10.1021/acsnano.7b05071)

课题组简介：

美国西北大学材料学院Vinayak P. Dravid课题组，主要从事二维材料，原位显微镜技术，纳微米尺度软材料的研究。具体内容可参考课题组网站：http://vpd.ms.northwestern.edu/。

在二维材料领域，课题组的主要贡献在于对二维过渡金属硫化物（TMD）生长机理的研究和对曲面二维材料的提出和开发。他们率先提出了曲面二维材料的概念，实现了其在纳米颗粒表面的无缝生长，并发现这类曲面材料表现出独特的光学和电学性质，已将其成功应用于等离子体增强光电传感器中。

本文由材料人新能源学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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