华科翟天佑教授&李会巧教授Adv. Funct. Mater.:用于高响应度p-n异质结光电探测器的新型P型半导体Cu9S5


【引言】

基于二维材料的p-n异质结在下一代电子和光电器件中具有较好的应用前景。通过选择不同的二维过渡金属硫化物,p-n结具有可调的能带匹配,在多种应用上都表现出优异的性能。反向偏压下的p-n结二极管由于暗电流受抑制而具有高探测灵敏度,但因为量子效率小而导致响应度低。增强p-n结耗尽层的内建电场能减少载流子复合,进而提高探测器的量子效率。

【成果简介】

近日,华中科技大学翟天佑教授和李会巧教授(共同通讯作者)报道了通过盐辅助化学气相沉积法(CVD)制备具有直接带隙和高光吸收系数的新型P型半导体Cu9S5。Cu9S5的高空穴浓度使得搭建的p-n异质结Cu9S5/MoS2具有强内建电场。因此,Cu9S5/MoS2 异质结在反向电压下不仅具有低暗电流和高开关比,而且由于改善了电荷分离效率也具有高响应度。Cu9S5/MoS2光电探测器在光照下具有1.6 × 1012 Jones的探测灵敏度和76 AW1的响应度。上述成果以“Salt‐Assisted Growth of P‐type Cu9S5 Nanoflakes for P‐N Heterojunction Photodetectors with High Responsivity”为题,发表在国际期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1.菱方(rhombohedral相Cu9S5的结构模型

Cu9S5的透视图(a)和顶视图(b)。Cu1、Cu2和Cu3代表Cu9S5中Cu位于的三个不同位置,即Cu1 (三角形平面)、Cu2 (四面体单元), Cu3(八面体单元)。

图2. Cu9S5纳米片的制备与表征

(a)CVD合成Cu9S5纳米片的生长示意图

(b)Cu9S5纳米片的光镜照片

(c)不同厚度Cu9S5纳米片的AFM和相应的光镜照片

(d)Cu9S5的XRD谱

(e)Cu9S5纳米片的拉曼光谱。插图是Cu9S5纳米片的拉曼面扫描图

(f)厚度约为30nm的Cu9S5纳米片的光致发光和吸收光谱

(g,h)Cu9S5纳米片的 Cu 2p(g)和S 2p(h)XPS谱

图3. Cu9S5纳米片的TEM及EDS表征

(a)Cu9S5纳米片的低倍TEM图

(b,c)Cu9S5纳米片的快速傅里叶变换处理过的HRTEM图(b)和SAED图(c)

(d)Cu9S5纳米片的EDX光谱

(e,f)Cu(e)和 S(f)的元素分布面扫描图

图4. Cu9S5器件的电学性能表征

(a,b)Cu9S5器件的(a)Ids−Vds输出曲线和Ids−Vg转移曲线

(c)Cu9S5的变温输出电流Ids。插图是Cu9S5器件的光镜照片

(d)变温电导(σ)和阿列纽斯拟合曲线

图5. Cu9S5/MoS2异质结的光学表征及能带结构

(a)Cu9S5/MoS2异质结的光镜照片

(b) Cu9S5、MoS2和Cu9S5/MoS2异质结的拉曼光谱。插图是Cu9S5/MoS2异质结的拉曼面扫描图

(c)Cu9S5、MoS2和Cu9S5/MoS2异质结的光致发光光谱

(d)Cu9S5/MoS2异质结的光致发光面扫描图

(e)Cu9S5/MoS2异质结的KPFM表征

(f)Cu9S5/MoS2异质结的能带结构示意图

图6. Cu9S5/MoS2异质结的光探性能

(a)Cu9S5/MoS2异质结的电荷转移示意图

(b)黑暗环境中和变功率532 nm激光照射下Cu9S5/MoS2器件的 Ids−Vds曲线。插图是该器件的光镜照片

(c)用指数坐标绘制的 Ids−Vds曲线

(d)加-5V偏压时,变功率 532 nm 激光照射下Cu9S5/MoS2器件的瞬态电流。插图是脉冲激光照射下该器件的时变电流曲线

(e)Cu9S5/MoS2器件的单周期上升和下降曲线

(f)Cu9S5/MoS2器件的光谱响应曲线和MoS2的吸收光谱

7. Cu9S5/MoS2器件的光电流面扫描测试

(a)光电流面扫描测试的示意图

(b)0偏压532 nm激光照射下光电流面扫描图

【小结】

本文通过盐辅助化学气相沉积法制备了高结晶度的p型半导体-Cu9S5纳米片。Cu9S5纳米片由于空穴密度高而具有良好的电导率。Cu9S5和典型的n型半导体- MoS2形成的二维Cu9S5/MoS2 p-n异质结在界面处表现出较强的耦合,进一步搭建的Cu9S5/MoS2光电二极管具有高开关比、探测度和高响应度。这些优异的性能源于Cu9S5纳米片的低串联电阻和异质结耗尽层内的强内建电场极大地限制了暗电流,以及促进了光生电子空穴对的分离和传输。这些结果表明二维Cu9S5纳米片是在光电领域具有较好应用前景的新型p型半导体。

文献链接:Salt‐Assisted Growth of P‐type Cu9S5 Nanoflakes for P‐N Heterojunction Photodetectors with High Responsivity(Adv. Funct. Mater.,2019,DOI:10.1002/adfm.201908382 )

团队介绍

翟天佑,华中科技大学材料科学与工程学院教授,材料成形与模具技术国家重点实验室副主任,国家杰出青年基金获得者,万人计划科技创新领军人才,全球高被引科学家,英国皇家化学会会士,国家优秀青年基金获得者,中组部青年千人计划入选者,湖北省创新群体负责人,曾获国家自然科学二等奖,中国化学会青年化学奖和湖北青年五四奖章。2003 年本科毕业于郑州大学化学系,2008 年博士毕业于中国科学院化学研究所。2008-2012 年在日本物质材料研究机构先后任 JSPS 博士后和 ICYS 研究员。

主要从事二维材料与光电器件方面的研究,以第一或通讯作者身份在 Chem. Soc. Rev. (3), Prog. Mater. Sci. (2), Adv. Mater. (21), Angew. Chem. Int. Ed. (3), JACS (2), Nat. Commun. (3), Adv. Funct. Mater. (29), ACS Nano (7)等期刊上发表论文190余篇(99篇IF>10),所有论文SCI期刊引用14000余次,H因子62。主持编纂英文专著1本,受邀撰写两本专著中的5章;申请中国和日本专利15项,授权6项;担任《InfoMat》和《Frontiers in Chemistry》副主编,《科学通报》、《无机材料学报》、《无机化学学报》编委。担任中国化学会青年化学工作委员会委员,中国材料研究学会青年委员会理事和纳米材料与器件分会理事,中国电子学会半导体科技青年专委会委员等。

课题组网页:zml.mat.hust.edu.cn

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本文由kv1004供稿

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