Adv. Funct. Mater. ：基于多层二维NiPS3纳米片的高性能紫外光电探测器

【引言】

紫外光电探测器广泛应用于辐射器校准、火灾探测、卫星光学通讯和生物传感等领域。传统的紫外光电探测器存在半导体材料与硅基质之间晶格失配和热膨胀系数不匹配等问题，阻碍了紫外光电探测的发展。二维材料通过范德华力附着在基底材料上因此不存在晶格失配和热膨胀系数不匹配的等问题，此外，二维材料较小的厚度可以缩短响应时间。金属磷硫化物（MPTs）这种新型二维材料与MoS₂有着相似的结构。通过更换不同的金属元素，MPTs纳米片的带隙可以从1.3eV调节到3.5eV，具有从近红外到紫外区的宽的波长响应。此外，MPTs拥有较高的载流子迁移率。带隙宽度为3.1eV的NiPS₃作为一种新型MPTs半导体材料，在紫外光电探测领域具有潜在的应用价值。但由于缺乏合成二维超薄NiPS₃的方法，使得NiPS₃在紫外光电探测领域的研究受到限制。

【成果简介】

近日，中国科学院何军教授、电子科技大学熊杰教授和西北工业大学冯丽萍教授（共同通讯作者）在Adv. Funct. Mater.上发表了一篇题为"High-Performance Ultraviolet Photodetector Based on a Few-Layered 2D NiPS₃ Nanosheet"的文章。该研究首次使用化学气相沉积法制备出了厚度为3.2nm的NiPS₃二维纳米片，并用该材料制备出了性能优越的紫外光电探测器。器件的响应时间达到5ms，具有超低的暗电流（10fA），比探测率达到1.22×10¹²琼斯。

【图文导读】

图1：NiPS₃二维材料的结构与表征

(a) NiPS₃（100）晶面结构图和单层NiPS₃侧视图；

(b) 生长在碳纤维上的NiPS₃纳米片的SEM；

(c) NiPS₃纳米片的TEM和HRTEM；

(d) 两种不同厚度的硅基质上的NiPS₃纳米片的AFM形貌结构图，A为3.5nm，B为6nm。

图2：生长厚度与拉曼光谱依赖关系研究

(a) 生长在硅衬底不同厚度(3.2-17.3nm)的NiPS₃纳米片的拉曼光谱；

(b-d) a图中用绿色矩形中光谱的放大图；

(e) 硅基生长厚度与拉曼光谱峰强以及峰位置的依赖关系；

(f) 生长在蓝宝石衬底上不同厚度(2.1-45.5nm)的NiPS₃纳米片的拉曼光谱；

(g) 蓝宝石衬底上厚度与拉曼光谱峰强以及峰位置的依赖关系。

图3：器件的结构、光响应性能和能带结构图

(a) 器件的AFM图，插图为薄膜厚度；

(b) 器件分别在暗态、254nm光源、473nm光源下的光响应曲线；

(c) 器件在254、473nm光源下的光响应曲线，插图为器件AFM图；

(d) 器件的能带图，左：未照射时能带结构图；中：473nm光源照射下的能带结构图；右：254nm光源照射下的能带结构图。

图4：器件结构示意图以及器件性能表征

(a) 器件结构示意图；

(b) 4.7nm厚度器件的光电流响应曲线；

(c) 通过示波器测得器件的光电压响应曲线；

(d) 4.7nm厚度器件的响应时间和下降时间；

(e) 不同光波段下的响应度，表明器件具有光谱选择特性；

(f) 器件在150和330 nm光波长激发时的反常零漂。

图5：与其他二维器件的性能对比

Table1 与基于不同材料的二维光电探测器的标准性能对比；

Table2 与传统半导体材料的光电探测器的标准性能对比。

【小结】

研究者们通过化学气相沉积法制备出了厚度可调的二维NiPS₃纳米片。详细研究了生长厚度与拉曼光谱峰的依赖关系，提供了一种方便可行的通过拉曼谱峰来确定纳米层数的方法。并且制备出了基于这种二维材料的紫外光电探测器，该光电探测器具有比同类器件更加优秀的光电探测性能。

文献链接：Performance Ultraviolet Photodetector Based on a Few-Layered 2D NiPS3 Nanosheet（Adv. Funct. Mater. , 2017, DOI: 10.1002/adfm.201701342）

本文由材料人新人编辑部刘于金编译，朱晓秀审核，点我加入材料人编辑部。

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