华科大翟天佑/周兴团队Adv. Funct. Mater.：通过氧等离子体处理具有宽带响应的显著增强型SnS2光电探测器

【引言】

2D二硫化锡（SnS₂）带隙范围（2.2~2.4 eV），吸收系数高达10⁴ cm⁻¹，是一种廉价、可持续的材料。它的特性使其在电子、光电、储能等领域的应用得到了广泛的研究。SnS₂光电探测器显示出高达261 AW⁻¹的光响应度和230 cm² V^-1 s^-1的载流子迁移率，因此使其成为电子和光电应用中有希望的候选者。然而，SnS₂的固有缺陷是硫空位，这些固有缺陷阻碍了其光学吸收，引起费米能级钉扎效应（引起金属接触电阻等），从而使其无法在光电器件应用中充分发挥其潜在的性能。

【成果简介】

近日，在华中科技大学翟天佑教授和周兴讲师等人（共同通讯作者）带领下，研三学生于璟（论文第一作者）等人使用强O₂等离子体处理来增强型SnS₂基器件的光电性能，通过有目的地引入更多的载流子陷阱（缺陷）以增强其（光）载流子活性。通过实验研究和第一性原理计算，解释了处理过的SnS₂能带结构变化的基本物理原理。在O₂等离子体处理过程中，SnS₂薄片的表面被蚀刻，同时注入了氧原子。因此，构建的基于O₂等离子体处理的SnS₂基器件在从紫外线覆盖整个可见光范围（300-750 nm）的宽带光敏化方面表现出了显著的改善。特别是在350 nm的光照下，经O₂等离子体处理的SnS₂光电探测器显示出从385到860 AW^-1的增强光响应，外部量子效率从1.3×10⁵％到3.1×10⁵％，比检测率从4.5×10⁹到1.1×10¹⁰琼斯（Jones）以及将上升（τ_r）和衰减（τ_d）时间分别从12和17 s改进为0.7和0.6 s的光开关响应。因此，这种简单的方法可以作为一种可靠的技术来提高某些2D电子材料和光电子材料的性能。相关成果以题为“Giant‐Enhanced SnS₂ Photodetectors with Broadband Response through Oxygen Plasma Treatment”发表在了Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1 在SnS₂中注入氧

a）O₂等离子体处理技术的示意图。

b）原始和经O₂等离子体处理的SnS₂薄片的光学图像。

c）原始（黑色）和经O₂等离子体处理的SnS₂（红色）的吸收光谱。

d-f）原始和经O₂等离子体处理的SnS₂薄片的d）O 1s、e）S 2p、f）S 2p状态的XPS光谱。

图2 DFT理论计算得到的形成能、电荷转移和能带结构

a）计算出SnS₂晶体中5种可能的S相关缺陷的缺陷形成能。

b）O-SnS₂体系的电子电荷密度差，其中Sn、S和O原子分别用红球、黄球和淡蓝球表示。

c）原始SnS₂的能带结构和DOS。

d）O₂等离子体处理的SnS₂的能带结构和DOS。

图3 SnS₂器件的电子测量

a）SnS₂ FETs的横截面示意图。

b）原始（黑色）和经O₂等离子体处理的SnS₂（红色）器件的门控响应（I_ds–V_g），在V_ds = 1V时V_g−为40 V至40 V。

c）原始（黑色）和经O₂等离子体处理的SnS₂（红色）SnS₂ FETs的I_ds–V_d曲线。

d）原始SnS₂ FETs的相应输出特性。

e）经O₂等离子体处理的SnS₂ FETs的相应输出特性。

f）在V_g = 10 V时，原始（黑色）和经O₂等离子体处理的SnS₂（红色）FETs的相应输出特性。

图4 SnS₂器件的光电特性

a）随着功率密度的增加，原始SnS₂光电探测器在黑暗和350 nm光源下的I_d-V_d曲线特征。

b）随着功率密度的增加，在黑暗和350 nm光源下，经过O₂等离子体处理的SnS₂光电探测器的I_d-V_d曲线特征。

c）在V_ds = 1 V时原始SnS₂的I_d–V_g输出特性曲线。

d）在V_ds = 1 V时经过O₂等离子体处理的SnS₂的I_d–V_g输出特性曲线。

e）随着350nm光源功率密度的增加，原始（黑色）和经过O₂等离子体处理的（红色）SnS₂的器件在V_d = 2时的时间分辨光响应。

f）在不同功率强度的光照下，原始（黑色）和经O₂等离子体处理（红色）的SnS₂的响应度和EQE。

图5 SnS₂器件的宽带光电特性

a）原始SnS₂器件的300~900 nm的宽带光响应等值线图。

b）经O₂等离子体处理的SnS₂器件在300~900 nm范围内的宽带光响应等值线图。

c）在300~900 nm的V_d = 2 V时，原始SnS₂器件的时间分辨宽带光响应。

d）在300~900 nm的V_d = 2 V时，经O₂等离子体处理的SnS₂器件的时间分辨宽带光响应。

e）解释原始SnS₂中光响应行为的能带示意图。

f）解释处理后的SnS₂中宽带响应行为的能带示意图。

【小结】

综上所述，提出了采用强O₂等离子体处理的增强型SnS₂器件。经O₂等离子体处理的SnS₂光电探测器表现出出色的光电转换能力。具体而言，在350 nm的光照下，它显示出从385 AW^-1到860 AW^-1的增强的光响应性，从1.3×10⁵％到3.1×10⁵％的外部量子效率，从4.5×10⁹到1.1×10¹⁰ Jones的探测性，以及改善的光开关响应从12s和17s上升（τ_r）和衰减（τ_d）时间分别为0.7s和0.6s。强O₂等离子体处理工艺有助于将氧原子注入到SnS₂中，从而影响了漏极电流和光载流子的重组。此外，还进行了XPS、XRD、拉曼和理论计算，解释了处理结果的基本物理原理。这种简便的技术可以为增强半导体2D材料的光电性能提供一条途径。

文献链接：Giant‐Enhanced SnS₂ Photodetectors with Broadband Response through Oxygen Plasma Treatment（Adv. Funct. Mater.， 2019，DOI:10.1002/adfm.202001650）

【团队介绍】

翟天佑，华中科技大学二级教授，材料成形与模具技术国家重点实验室副主任，主要从事二维材料与光电器件方面的研究工作：（1）发展了近稳态供源和限域空间生长控制策略，实现了若干高质量二维材料气相沉积生长的可控制备；（2）在国际上率先提出并成功合成了二维无机分子晶体，将二维分子晶体的概念从有机分子引入到无机分子，极大地扩展了分子晶体研究领域；（3）创造性提出可重构高效二维双极晶体管概念，成功实现基于铁电剩余极化效应的可控掺杂方案，并以可重构的局域铁电极化发展出高性能的双极型光电晶体管，推动了光电子器件工艺的微型化和集成化。以第一/通讯作者在AM (22), NC (3), JACS (2), Angew (3), AFM (32)，ACS Nano (7)等期刊上发表SCI论文200余篇，所有论文引用15000余次，2015/2018/2019三次入选“全球高被引科学家”，是万人计划科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金资助对象，曾获国家自然科学二等奖（5/5）、英国皇家化学会会士、中国化学会青年化学奖和湖北青年五四奖章等。

周兴，男，华中科技大学材料科学与工程学院讲师、硕士生导师。主要从事二维材料/异质结的可控制备及其光电性能的研究。目前共发表论文30余篇，引用1200余次。以第一/通讯作者身份在Chem. Soc. Rev. (1), Adv. Mater. (2), JACS (1), Matter (1), Adv. Funct. Mater. (8)等期刊上发表论文20余篇，5篇封面文章。

团队相关重要文献：

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2. Zhou, X. Z. Hu, S. S. Zhou, H. Y. Song, Q. Zhang, L. J. Pi, L. Li, H. Q. Li, J. T. Lü, T. Y. Zhai*, Tunneling Diode Based on WSe₂/SnS₂Heterostructure Incorporating High Detectivity and Responsivity, Adv. Mater. 2018, 30, 1703286.
3. Z. Hu, P. Huang, B. Jin, X. W. Zhang, H. Q. Li*, X. Zhou*, T. Y. Zhai*, Halide-Induced Self-Limited Growth of Ultrathin Nonlayered Ge Flakes for High-Performance Phototransistors, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12909-12914.
4. Lv, F. W. Zhuge*, F. J. Xie, X. J. Xiong, Q. F. Zhang, N. Zhang, Y. Huang, T. Y. Zhai*, Two-Dimensional Bipolar Phototransistor Enabled by Local Ferroelectric Polarization, Nat. Commun. 2019, 10, 3331.
5. Han, P. Huang, L. Li, F. K. Wang, P. Luo, K. L. Liu, X. Zhou, H. Q. Li, X. W. Zhang, Y. Cui*, T. Y. Zhai*, Two-dimensional Inorganic Molecular Crystals, Nat. Commun. 2019, 10, 4728.
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7. Luo, F. W. Zhuge*, F. K. Wang, L. Y. Lian, K. L. Liu, J. B. Zhang, T. Y. Zhai*,PbSe Quantum Dots Sensitized High-Mobility 2D Bi2O2Se Nanosheets for High-Performance and Broadband Photodetection Beyond 2 µm, ACS Nano 2019, 13, 9028-9037.
8. Jin, F. Liang, Z. Y. Hu, P. Wei, K. L. Liu, X. Z. Hu, G. V. Tendeloo, Z. S. Lin, H. Q. Li, X. Zhou*, Q. H. Xiong*, T. Y. Zhai*, Nonlayered CdSe flakes homojunctions, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908902.
9. W. Shu, Q. J. Peng, P. Huang, Z. Xu, A. A. Suleiman, X. W. Zhang,X. D. Bai, X. Zhou*, T. Y. Zhai*, Growth of Ultrathin Ternary Teallite (PbSnS2) Flakes for Highly Anisotropic Optoelectronics, Matter 2020, 2, 977.
10. F. K. Wang, Z. Zhang, Y. Zhang, A. M. Nie, W. Zhao, D. Wang, F. Q. Huang*, T. Y. Zhai*, Honeycomn RhI3 Flakes with High Environmental Stability for Optoelectronics, Adv. Mater. 2020, 32, 2001979.

本文由木文韬翻译编辑。

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