Nature Nanotechnology : 单层MoS2的光电潜力

更新时间:2023-07-13      点击次数:467



二维材料是一类新兴的材料,具有广泛的电性能和潜在的实际应用。虽然石墨烯是研究最深入的二维材料,但其他材料的单层,如绝缘的硼氮化物(BN)和半导体的MoS2或WSe2,作为场效应晶体管的应用中已受到越来越多的关注。瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)电气工程系的Andras Kis教授(负责管理纳米电子和结构实验室)与生物工程学Aleksandra Radenovic教授(管理纳米生物学实验室),早在2013年就在Nature Nanotechnology期刊中发表了一篇「Ultrasensitive photodetectors based on monolayer MoS2」文章,重点介绍单层MoS2。由于量子力学的限制,它是具有直接能隙的半导体,并探讨它在光电子装置中,特别是光伏电池中的应用潜力。


单层MoS2具有六角结构,其中一个钼原子夹在两个硫原子之间。单层MoS2在布里渡(Brillouin)区域的K点处具有约1.8电子伏特的能隙,适合吸收可见光。单层MoS2可以吸收能隙以上的能量中的10%入射光。此外,单层MoS2由于直接能隙转换而表现出强烈的光致发光,其增强后的效果相对于体材料高出1000倍。然而,单层MoS2的光致发光量子产率仍然很低,约为0.4%,这限制了它作为光发射器的效率。


本研究研究了不同的前沉积表面处理和接触材料对光响应衰减的影响。发现不同的表面清洁处理可以减少衰减时间。这可以通过功能化SiO2表面的亲疏水性差异来解释。使用不同的生长技术,如湿法氧化和干法氧化来沉积SiO2,可以进一步降低特征衰减时间τdecay。我们使用如下的SiO2表面处理方法进行微机械剥离前的处理:KOH - SiO2基片在室温下用30% KOH溶液浸泡30分钟。然后用270W的RF功率进行20分钟的O2等离子体处理,最后进行剥离。Piranha - SiO2基片在piranha清洁液(H2SO4:H2O2 3:1)中浸泡45分钟。然后用270W的RF功率进行20分钟的O2等离子体处理,最后进行剥离。HF - SiO2基片在2毫升50%甲酸中和70毫升去离子水中浸泡30秒。然后用270W的RF功率进行20分钟的O2等离子体处理,最后进行剥离。使用不同的接触金属,如Ti/Au(10/50nm)或Cr/Au(10/50nm),可以进一步减小衰减时间,但以牺牲光响应灵敏度为代价,低的衰减时间τdecay为320毫秒,采用Cr/Au接触和湿法氧化生长的SiO2器件。


另一方面,单层MoS2作为光吸收剂和光催化剂显示出很大的潜力。最近的研究表明,具有提高的器件迁移率和开路电流的超敏单层MoS2光电晶体管已经被成功实现。该器件在561纳米波长下表现出880安培每瓦特的最大外部光响应度,这与其他二维材料报导的最佳数值相当。高的响应度归因于单层MoS2在光激发下高效产生和分离电子-空穴对。

另一个令人兴奋的应用是单层MoS2在光伏电池中,它可以与有机或无机材料形成II型异质结。II型异质结是两种具有不同能带对齐的材料之间的结界,其中一种材料的导带低点高于另一种材料的,而价带最高点则低于另一种材料的。这样形成的链接具有交错的能带对齐,有利于电荷在结界上的分离和输送。例如,单层MoS2可以与PTB7这种有机聚合物形成II型异质接面,PTB7在有机太阳电池中被广泛应用作为施体材料。该异质结显示出相互的光致发光熄灭和光伏效应,表明两种材料之间的电荷转移高效率。异质结的内部量子效率在整个光吸收层厚度低于20纳米时超过40%,使其相对于其他有机和无机太阳能电池而言具有出色的吸光厚度的电流密度。


此外,单层MoS2还可以被掺杂以调整其电子结构并增强其光催化活性。例如,p型掺杂可以在单层MoS2的能带间隙中引入受体能级,这些能级可以作为电子陷阱,增加光产生的空穴的寿命。这可以改善可见光照射下单层MoS2的氢发生反应。此外,掺杂还可以调节单层MoS2的能带间隙和能量水平,与异质结中的其他材料相匹配。


总之,单层MoS2是一种多功能的二维材料,在光电子装置中,特别是光伏电池中具有许多潜在应用。其直接能带允许高吸收系数和在光激发下高效的电子-空穴对生成。它还可以与其他材料形成II型异质结,实现电荷和过接面的传输。此外,它可以被掺杂以改变其电子结构并增强其光催化活性。最近对包括液态剥离和化学气相沉积生长等大规模生产技术的发展,显示出基于MoS2的集成光电子电路、光敏感、生物医学成像、视频记录和光谱学中的应用潜力。




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