武汉大学Sci. Bull. ：二维硒化铅的范德瓦尔斯外延生长及其高性能异质结器件

研究背景

近年来，非层状二维材料的出现极大丰富了二维材料体系和拓宽了应用前景。基于非层状二维材料所制备的光电探测器及其异质结器件也因其优异的光电性能而受到了广泛关注。合成具有高光吸收系数的半导体材料，提升光电转化效率，是制备高性能光电探测器的有效策略。另外，构建高性能异质结构器件是发展大规模集成光电应用的关键部分，范德华异质结器件可以通过调节二维材料的类型、能带对齐、不同性质等来进行准确调控，对光电子器件的制备和应用都有着重要意义。因此，合成具有高吸收系数的二维半导体材料和构筑高性能的异质结器件值得探索。

研究概述

有鉴于此，近日，武汉大学物理科学与技术学院何军教授课题组利用范德瓦尔斯外延技术，通过精确控制生长和温度，在云母衬底上实现了大尺寸、厚度可调、具有高吸收系数的二维硒化铅纳米片。该工作系统研究了二维硒化铅的形貌结构、电子能带结构、电学输运等特性。基于硒化铅的光电探测器展现了多波长的光响应，其响应度可达~10³ A/W，探测率可达∼2×10¹¹ Jones。更重要的是，基于硒化铅和二硫化钼构筑的范德华异质结器件不仅展现了~10⁶的整流比，还具有~3×10³ A/W和~7×10¹² Jones的响应度和探测率。该工作提出通过范德瓦尔斯外延技术生长策略，为可控制备具有高光吸收系数的二维半导体和构筑高性能异质结器件提供了新的解决方案。相关研究成果以“Van der Waals epitaxial growth of two-dimensional PbSe and its high-performance heterostructure devices”为题发表在著名期刊Science Bulletin 2022年第16期。

图文概览

图1 二维PbSe的形貌与表征

(a) 二维PbSe纳米片的范德华外延生长示意图。(b) 二维PbSe纳米片的可控制备。(c) PbSe/Mica界面的STEM图。(d) PbSe的理论计算能带结构。(e) 拉曼光谱。(f) XPS图。(g) 高分辨TEM图和相应的SAED图。(h) EDS mapping图。(i) XRD。

图2二维PbSe的电学性能表征

(a) 在不同温度下测量的二维PbSe的I – V曲线。(b) 二维PbSe温度依赖的电导率。(c) 二维PbSe晶体管的转移曲线。(d) 二维PbSe纳米片温度依赖的霍尔电阻。

图3在473 nm和808 nm光照波长下获得的二维PbSe探测器的光响应特性

(a,b) 473 nm和808 nm光照波长下，二维PbSe探测器的时间依赖的光响应特性。(c) 473 nm和808 nm光照波长下，光电流和功率之间的关系。(d,e) 473 nm和808 nm光照波长下，响应度、探测率和激光功率的关系。(f) 二维PbSe器件与先前报道的二维非层状材料光电探测器的性能比较。(g) 不同沟道厚度的二维PbSe器件在暗态（虚线）和亮态（实线）状态下的I – V曲线。(h) 光电流和暗电流和厚度之间的关系。(i) 响应度和探测率和厚度之间的关系。

图4 PbSe/MoS₂晶体管的电输运性能

(a) PbSe/MoS₂晶体管示意图。(b,c) 不同正、负漏极电压下的I_ds – V_g转移曲线。(d) 不同栅压下的I_ds – V_ds输出曲线。(e) 整流比和栅压之间的关系。(f) PbSe的 Arrhenius曲线。(g) 不同栅极、漏极电压下的PbSe/MoS₂异质结能带示意图。

图5 PbSe/MoS₂晶体管的光电特性

(a) 在黑暗和不同激光下，PbSe/MoS₂晶体管的I_ds - V_g曲线。(b) 在不同栅压下，PbSe/MoS₂晶体管的I - t曲线。(c) 在不同光功率下，响应度与V_g的关系。(d) 在正、负栅压下，PbSe/MoS₂异质结能带示意图。

文章信息：

Jian Jiang, Ruiqing Cheng, Lei Yin, Yao Wen, Hao Wang, Baoxing Zhai, Chuansheng Liu, Chongxin Shan, Jun He. Van der Waals epitaxial growth of two-dimensional PbSe and its high-performance heterostructure devices. Science Bulletin, 2022, 67(16): 1659-1668, https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.07.005