华科翟天佑Adv. Mater. : 液态合金辅助生长2D三元Ga2In4S9薄片及其高性能紫外光电检测

【引言】

最近，2D三元材料由于化学计量比易于调控，其物理性质随之发生变化，引起了越来越多的关注。其中，三元Ga₂In₄S₉是具有弱范德华相互作用的层状n型半导体材料，具有优越电子特性，即光敏性(约2.7 eV的宽带隙)以及随温度变化的光吸收边，有望用于紫外检测。作为一种双金属硫化物，三元Ga₂In₄S₉与相应二元材料相比具有更加奇特的电子和光电性质。目前为止，研究人员仅报道了通过化学气相传输获得的厚度为几微米的块体Ga₂In₄S₉的工作，然而块体结构阻碍了其在微纳电子和光电器件领域的实际应用。目前尚未见关于合成具有可控化学计量的2D三元Ga₂In₄S₉薄片的报道，应归因于难以选择最佳的双金属前驱体。最近，具有可调金属元素的共晶镓熔体可用于制备原子级薄金属氧化物或硒化物，为生长上述三元半导体提供了有前景的方法。

【成果简介】

近日，华中科技大学翟天佑教授(通讯作者)等首次采用镓/铟液态合金作为前驱体，通过化学气相沉积合成只有几个原子层厚(最薄的样品约2.4 nm)的高质量2D三元Ga₂In₄S₉薄片，并在Adv. Mater.上发表了题为“Liquid-Alloy-Assisted Growth of 2D Ternary Ga₂In₄S₉ toward High-Performance UV Photodetection”的研究论文。作者对上述2D三元Ga₂In₄S₉薄片的紫外光传感应用进行了系统性探索。Ga₂In₄S₉薄片基光电探测器具有出色的紫外检测能力(R_λ= 111.9 A·W^-1，外量子效率= 3.85×10⁴ %，360 nm时探测率D* = 2.25×10¹¹ Jones)，响应速度快(τ_ring≈40 ms， τ_decay≈50 ms)。此外，Ga₂In₄S₉基光电晶体管在约0 V的临界背栅极偏压、360 nm时表现出约10⁴ A·W^-1的响应度。使用液态合金合成超薄2D Ga₂In₄S₉纳米结构为设计新颖的2D光电子材料以实现最佳的器件性能提供了极大的可能性。

【图文简介】
图1 层状Ga₂In₄S₉的合成与表征

a) 利用液态Ga/In合金和硫粉前驱体生长2D Ga₂In₄S₉的示意图；
b) 在SiO₂/Si基底上的三角形Ga₂In₄S₉晶体的光学图像；
c) AFM图像和SiO₂/Si基底上典型三角形Ga₂In₄S₉晶体的高度分布；
d-f) SiO₂/Si基底上Ga₂In₄S₉晶体的XPS光谱；
g-i) T_S为300±20℃、360±20℃和450±20℃下合成的Ga₂In₄S₉晶体厚度统计分布，内插为SiO₂/Si基底上Ga₂In₄S₉薄片的光学图像。

图2 Ga₂In₄S₉薄片的结构信息

a) 典型Ga₂In₄S₉薄片的HAADF-STEM图像；
b) a图中薄片相应的原子分辨率HAADF-STEM图像；
c) a图中标记区域的相应SAED图案；
d-f) Ga₂In₄S₉薄片的EDX元素映射。

图3 Ga₂In₄S₉薄片的光学性质

a) 室温下Ga₂In₄S₉薄片随厚度变化的阴极发光(CL)光谱；
b) 2L Ga₂In₄S₉薄片随温度变化的CL光谱，其范围为113 K至293 K；
c) 根据b图中CL测试所得的450 nm处带隙能随温度的变化；
d) 根据b图中CL测试所得的Arrhenius拟合的650nm附近积分强度随温度的变化。

图4 Ga₂In₄S₉薄片的光电特性

a) Ga₂In₄S₉薄片的光谱响应曲线，内插为器件的AFM图像；
b) 暗处和330至800nm不同波长光照下器件的I-V曲线；
c) V_ds = 5 V时Ga₂In₄S₉光电探测器的响应度和探测率随辐射波长的变化；
d) 360 nm时不同照射强度下光电探测器的I-V曲线；
e) 光电流随入射光强度变化的幂函数拟合曲线；
f) 根据e图中在V_ds = 5 V时测量的光电流计算所得响应度和检测率；
g) V_ds = 5 V时，在功率强度为1.481 mW·cm^-2的360 nm光照下，器件光响应随时间的变化；
h,i) 使用示波器测量的上升和衰减曲线。

图5 Ga₂In₄S₉薄片基光电晶体管

a) 10 L Ga₂In₄S₉晶体管在黑暗条件下的输出特性曲线；
b) 黑暗条件下不同厚度Ga₂In₄S₉晶体管的传输特性曲线；
c) V_ds = 5 V时，暗处和360 nm光下的I_ds-V_gs曲线；
d) V_ds = 5 V时，光响应比(I_ph/I_dark)和响应度随V_gs的变化；
e) 考虑到电极/沟道接触处较小的肖特基势垒时Ga₂In₄S₉晶体管的能带图。

图6 Ga₂In₄S₉薄片的载流子动力学

a) 从b图中Ga₂In₄S₉薄片上红圈标记位置收集的典型PL衰变曲线(蓝色圆圈)，红线为单指数拟合；
b) Ga₂In₄S₉薄片的荧光寿命映射图像；
c) 扫描光电显微镜(SPCM)的原理图；
d) 典型的光电流衰减长度(蓝色圆圈)，红线为单指数拟合。

【小结】

综上所述，作者通过液态合金辅助CVD技术获得了高结晶度超薄Ga₂In₄S₉薄片。通过调节液态Ga/In合金和硫前驱体的加热温度可以调控形貌和厚度。三元2D Ga₂In₄S₉优异的光电子行为主要归因于相对较长的载流子寿命以及薄片结晶度高所致的少数载流子扩散长度较长。在CVD过程中引入低熔点液态合金是超薄Ga₂In₄S₉薄片可控生长的关键，对于其他新型2D材料的设计和生长具有重要意义。

文献链接：Liquid-Alloy-Assisted Growth of 2D Ternary Ga₂In₄S₉ toward High-Performance UV Photodetection (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201806306)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理。

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