孙东明、成会明等：钼基双异质结光电探测器研究取得新突破

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由于具有原子级厚度及独特的能带结构，二维半导体材料在光电器件应用领域展现出独特的优势。然而，二维材料通常光吸收较弱，且在光电转换过程中，一个入射光子只能激发一个电子-空穴对，导致器件的光探测能力不高。一般来说，提高光增益主要有雪崩和光栅两种方式：雪崩机制对材料能带的匹配要求苛刻，且需在高偏置电压下工作；而光栅机制由于电荷弛豫效应，会导致光电响应速度显著降低。
　　中国科学院金属研究所科研人员与国内多家单位的科研团队合作，提出了一种提高光增益的新方法，他们通过选择合适沟道和电极材料进行能带匹配，使其在光照下晶体管源、漏端的势垒降低并形成正反馈，从而获得了超高灵敏度的二维材料光电探测器。题为“一种超灵敏的钼基双异质结光电晶体管（An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor）”的研究成果于2021年7月2日在《自然·通讯》（Nature Communications）上在线发表。

图1. 光电晶体管结构与性能。a. 结构示意图；b. 原子力显微镜图；c. 器件截面透射电子显微镜图；d. 不同光强下的转移特性曲线。

图2. 光电性能表征与评价。a. 噪声密度谱；b. 响应度；c. 外量子效率；d. 信噪比；e. 探测度；f. 光响应速度；g. 二维材料光电晶体管性能对比。

图3. 光增益正反馈工作机制。a. 具有不同源漏电极的晶体管研究平台：T1（Ti/Au, Ti/Au）, T2 (-MoO3-x, Ti/Au), T3 (Ti/Au, -MoO3-x), T4 (-MoO3-x, -MoO3-x)；b. 光电晶体管在暗态（黑色）和光照（彩色）下的转移特性曲线；c-d. 器件光电流的空间分布响应图。

图4 双异质结光致势垒降低机制。a. 氧化钼退火前后的吸收光谱；b. 氧化钼的紫外光电子能谱；c.暗态下器件的能带结构图；d.暗态下器件的肖特基势垒高度定量表征；e.光照下器件的能带结构图；f. 光照下器件的肖特基势垒高度定量表征；g. 器件T1（Ti/Au, Ti/Au）的工作原理图；h. 器件T2（-MoO3-x, Ti/Au）的工作原理图；i. 器件T3（Ti/Au，-MoO3-x）的工作原理图。  

　　该团队使用二维二硫化钼作为沟道材料、氧化钼（-MoO3-x）为电极材料，在晶体管源端和漏端形成了二硫化钼/氧化钼双异质结，构筑了光电晶体管（图1）。该晶体管展现出超高响应度（＞105 A/W）、超高外量子效率（＞107 %）、在二维材料光电探测器中最高的探测度（9.8×1016 Jones）和超快光电响应速度（约100 μs）等诸多优异的光电特性（图2）。
　　他们构筑了具有不同种类源漏电极的光电晶体管，其中氧化钼为电极的器件光响应是钛/金（Ti/Au）电极器件的3-4个数量级（图3）。结合对材料能带结构的光学表征和理论计算，他们还提出了双异质结光致势垒降低机制的器件工作原理（图4），即在暗态下氧化钼/二硫化钼异质结形成大的肖特基势垒，源端电子无法注入到沟道中，实现了超低暗电流和噪声。在光照条件下，电子-空穴对在源端耗尽区生成，随后在内建电场驱动下高效分离，载流子的浓度变化导致了源端电子势垒的降低，实现了电子注入和光增益；注入的电子又可降低漏端电子势垒，增大光电流；而这又进一步增强源极内建电场，从而实现了双异质结间的正反馈效应，获得了超高响应度和探测度。同时由于不使用陷阱束缚电荷，器件还具有高响应速度。该工作提出了一种具有普适性意义的提高光电探测器增益的方法，可推广至其他二维材料体系，为未来构建超灵敏光电探测器开辟了新思路。
　　冯顺博士研究生、刘驰项目研究员为文章共同第一作者，孙东明、成会明、尹利长研究员和南京大学王肖沐教授为文章共同通讯作者。南京大学王肖沐教授团队重点开展了噪声和响应速度测试及工作机制分析与研究，尹利长研究员在电子结构计算和理论分析方面提供支持。任文才研究员和张莉莉项目研究员分别在氧化钼晶体和材料显微表征方面提供支持，甄超副研究员和陈伟副研究员分别提供了吸收光谱和真空退火研究方面的技术支持。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中科院、辽宁省兴辽英才计划和沈阳材料科学国家研究中心等项目支持。
　　全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24397-x
       文章来源：金属所
       成会明：国际知名碳材料科学家、中科院院士、发展中国家科学院院士，清华-伯克利深圳学院教授、低维材料与器件实验室主任，中科院金属所研究员。成会明院士是国家自然科学基金委工程与材料学部咨询委员会成员、无机非金属材料学科评审专家，曾任“863”计划功能材料专家组专家，被澳大利亚研究理事会、新加坡教育部、香港地区研究资助局等国家和地区聘为外部评审专家。曾任国际刊物Carbon副主编、《新型炭材料》主编，现任国际刊物Energy Storage Materials（储能材料）主编 （影响因子>15）、Science China Materials（中国科学-材料）副主编。曾任亚洲碳协会主席、两届碳国际会议共同主席，是纳米管、石墨烯和碳科学等系列国际会议学术顾问委员，在国际会议上做特邀报告130余次，在国内外碳材料领域具有重要影响。成会明院士曾获得国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科技进步奖、美国碳学会Pettinos 奖、德国Felcht奖、桥口隆吉基金奖、辽宁省自然科学奖一等奖（2项）、美国化学会ACS Nano Lectureship奖等。他已发表学术论文550余篇，其中2007～2016年发表的论文中有ESI高被引论文72篇，论文被引用53000多次（h因子达106），获授权中国及PCT专利100余项，成立了5家高新技术材料企业。
        孙东明，男，1978年12月生，中国科学院金属研究所研究员、纳米碳基电子器件创新课题组组长，国家优秀青年科学基金获得者。2001年毕业于吉林大学电子材料与元器件专业，2006年获得吉林大学微电子学与固体电子学博士学位，2006-2012年在日本东京工业大学和名古屋大学工作。2012年，在中科院金属所先进炭材料研究工作。主要从事碳纳米管/石墨烯基柔性薄膜晶体管器件、微机电系统/压电超声波马达、印刷电子器件领域的研究。提出了气相过滤转移技术制备柔性碳纳米管薄膜晶体管电路的方法，大幅度提高了碳纳米管晶体管器件的性能，并率先实现了碳纳米管时序逻辑集成电路；提出了全碳薄膜晶体管器件的设计思路，首次制备出可塑全碳晶体管电路。        尹利长，中国科学院金属研究员，博士生导师，淮北师范大学讲席教授，吉林大学本硕博、日本访问学者，迄今共发表SCI论文80余篇，其中ESI高被引论文15篇，论文他引8000余次，H因子35。主持国家自然科学面上项目2项，青年基金项目1项。
      王肖沐，1984年8月出生。2012年博士毕业于香港中文大学电子工程系。2013年至2016年在先后再英国剑桥大学和美国耶鲁大学进行窄带隙二维材料纳米光子器件的博士后研究。2016年10月加入南京大学电子科学与工程学院，任教授，博士生导师。王肖沐的研究集中在二维材料的电子、光电器件及器件物理方向。在红外探测器、发光器件，阻变存储器，器件机理及界面工程优化等研究方向取得了系列进展。代表性工作发表在Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Photonics等期刊上，被引用3000余次，研究成果受到Nature、Nature Photonics期刊、Wired等网站报道。作为负责人承担国家自然基金面上项目、国家重点研发计划青年科学家专题、江苏省双创团队项目等研究。 曾获教育部自然科学二等奖，香港科学会青年科学家奖。

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不错不错 又一新突破













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