材料學(xué)院劉鍇課題組在WSe2/VO2異質(zhì)結(jié)光電探測器研究方面取得進(jìn)展
????????近日，清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇副教授課題組在美國物理聯(lián)合會（AIP）出版的《Applied Physics Reviews》（IF=12.7）期刊上在線發(fā)表了題為《基于WSe2/VO2異質(zhì)結(jié)的相變調(diào)制的高性能雙模式光電探測器》（Phase-transition modulated, high-performance dual-mode photodetectors based on WSe2/VO2 heterojunctions）的研究論文。該研究通過構(gòu)建過渡金屬硫?qū)倩铮═MDs）和過渡金屬氧化物（TMOs）的異質(zhì)結(jié)（WSe2/VO2），利用VO2獨(dú)特的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變以及WSe2的半導(dǎo)體特性，結(jié)合兩類材料的協(xié)同作用優(yōu)勢，發(fā)展出工作模式可調(diào)制的高性能雙模態(tài)光電探測器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的響應(yīng)率和探測率。
????????近年來，層狀TMDs材料因其豐富的電子結(jié)構(gòu)、多樣化的異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及異質(zhì)結(jié)之間超快的電荷轉(zhuǎn)移速度，在光電器件中展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。對于光電探測器件來講，響應(yīng)率（responsivity, R*）和探測率（detectivity, D*）是表征其性能的重要參數(shù)。響應(yīng)率R? = Iph / Pin，取決于光生電流與入射光功率之比，而探測率D? = R? / (2qJDS)1/2，除了與響應(yīng)率有關(guān)外，還與暗電流密度有關(guān)。對于工作在某一種模式下的TMDs光電探測器來講，高的響應(yīng)率和高的探測率通常難以同時(shí)獲得。例如工作在光導(dǎo)模式下的MoS2/石墨烯光電探測器，其響應(yīng)率可超過800 A/W，但同時(shí)伴隨著較大的暗電流，因而響應(yīng)率較低；而對于工作在光伏模式下的光電探測器，其暗電流很小，探測率可高達(dá)1012到1013 Jones，但響應(yīng)率卻常常低于0.5 A/W。因此，如何制備出兼具高響應(yīng)率和高探測率的TMDs光電探測器件，是光電探測領(lǐng)域一個重要的挑戰(zhàn)。
????????針對這一關(guān)鍵問題，劉鍇課題組另辟蹊徑，搭建出WSe2/VO2垂直異質(zhì)結(jié)，巧妙地利用VO2在68攝氏度下發(fā)生的絕緣相-金屬相轉(zhuǎn)變，動態(tài)調(diào)控異質(zhì)結(jié)的類型，進(jìn)而改變異質(zhì)結(jié)的最佳工作模式。當(dāng)VO2處于絕緣相（本質(zhì)上為半導(dǎo)體）時(shí)，異質(zhì)結(jié)種類為II類半導(dǎo)體p-n結(jié)，器件適合工作在光伏模式，而當(dāng)VO2轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傧鄷r(shí)，異質(zhì)結(jié)種類變?yōu)樾ぬ鼗?jié)，器件可以工作在光導(dǎo)模式。利用這一策略，通過可逆地控制VO2的相態(tài)，實(shí)現(xiàn)WSe2/VO2光電探測器件工作模式的動態(tài)切換，最終獲得了同時(shí)兼具高響應(yīng)率（6.6 A/W）和高探測率（1.87×1013 Jones）的光電探測器件。這一研究為發(fā)展新型高性能光電探測器件提供了新思路，同時(shí)也是劉鍇課題組繼NbS2-NbOx阻變異質(zhì)結(jié)工作（ACS Nano 2019, doi: 10.1021/acsnano.9b06627）之后在TMDs/TMOs異質(zhì)結(jié)領(lǐng)域的又一創(chuàng)新性工作。
????????該工作在線發(fā)表后，被《Applied Physics Reviews》編輯選為當(dāng)期的Featured Article，在期刊首頁重點(diǎn)推薦，同時(shí)被AIP旗下的宣傳網(wǎng)站Scilight撰文報(bào)道。該論文第一作者為材料學(xué)院博士后羅浩，通訊作者為材料學(xué)院劉鍇副教授和南方科技大學(xué)程春副教授。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、面上項(xiàng)目，以及霍英東教育基金等科研項(xiàng)目的支持。
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基于WSe2/VO2相變調(diào)制的高性能雙模式光電探測器工作原理示意圖
????????論文鏈接https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5124672
????????AIP Scilight報(bào)道鏈接https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0000460
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