科研进展

何军课题组红外探测研究取得新进展

来源:  发布时间:2019-12-09 16:25:15 点击次数:

二维层状半导体层内以强的共价键或离子键结合而成,而层与层之间依靠弱的范德华力堆叠。其表面无化学悬键,使载流子免于表面粗糙度、电荷中心等导致的散射机制的影响,从而能够获得较高的载流子迁移率。但其超薄的特性导致其具有小的吸收截面;弱的静电屏蔽效应导致二维材料具有大的激子束缚能;而且强烈的库伦相互作用也会通过俄歇过程增加光生电子空穴在缺陷处的复合机率。这些弊端都限制了二维材料在光电探测上的应用。

为了克服二维层状材料的这些弊端,并利用非层状硫族窄带隙半导体高效的光吸收性能。何军课题组实现了一种基于MoS2/PbS范德华异质结的红外非易失性存储器。光生电子空穴空间分离,该器件有效阻止了光生电子空穴的复合,极大的提高了光电导增益。该器件展现出了极高的红外光探测性能:光响应度超过107安培每瓦,光增益超过1011,探测率超过1015琼斯,而且具有极其稳定的光存储性能,存储时间超过104秒。此外该存储器可以通过脉冲栅压擦除,经过2000次循环仍能保持稳定。结合理论模型与实验数据,我们发现光存储机制来源于PbS中光生电子注入MoS2,界面势垒ФR阻止MoS2里面的电子反向注入PbS。光生空穴被局域在PbS中引起光栅效应,诱导的电子浓度大约2.4×1024cm-3, 出现光存储现象。通过脉冲栅压MoS2电子浓度增加,MoS2中电子通过量子遂穿注入PbS与局域空穴复合,光存储被擦除。这项研究成果为光电子存储以及其逻辑电路提供了新思路,相关研究成果以“Nonvolatile infrared memory in MoS2/PbS van der Waals heterostructures”为题发表在science advancesSci.Adv.2018;4:eaap7916)上。

在范德华异质结可控制备及其电子和光电子性质的研究基础上,发现范德华异质结中vdW gap可以通过窄带隙半导体PbS表面S悬键与MoS2中人工诱导S空位之间强轨道杂化来桥接。在vdW异质结构中,由vdW gap引入的额外隧穿势垒极大地增加了光生载流子的注入势垒。通过这种无缝隙的桥接策略,该器件在近红外波段展现出了极高的探测性能。何军课题组构筑的这种无间隙异质结构无需借助脉冲栅压实现了快速的光开关, 桥接后的MoS2/PbS异质结构具有超高光触发开/关比(超过106),超快响应速度47μs。与同类的vdW光电晶体管相比,这种无间隙的异质结构筑的光电晶体管在光触发开关比和光响应时间有着显着改善(响应速度提升超过5个数量级;响应速度提升超过4个数量级)。相关研究成果日前以“Gapless van der waals heterostructures for infrared optoelectronic devices”为题发表在ACS Nanodoi.org/10.1021/acsnano.9b08375)上。



MoS2/PbS结构示意图与红外光电输运

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/4/4/eaap7916/tab-pdf

                    https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.9b08375



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