Vertically aligned large area CVD grown MoS2 nanoflakes based heterojunction for UV-Vis range photodetection: An electrical study
本研究表明，通过使用大面积垂直排列的化学气相沉积（CVD）生长 MoS2 纳米片制备的 Al/n-MoS2/p-Si 异质结光电探测器，在高效载流子注入、尖端电子积累以及特定界面陷阱动力学的驱动下，展现出了增强的紫外-可见光光响应。
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现代技术在很大程度上依赖于能够感知光并将其转化为电能的设备。这些被称为光电探测器的组件是数字世界的眼睛，使从智能手机中的摄像头到监测环境变化的传感器，再到医学成像中使用的设备等一切事物成为可能。为了使这些设备变得更好、更快、更灵敏，科学家们一直在不断寻找能够比传统电子设备中使用的硅更高效地与光相互作用的新材料。一种极具前景的候选材料是二硫化钼，它由极薄的原子层组成。虽然这种材料的单层厚度仅有几个原子，但它具有独特的属性，使其能够吸收光线并快速移动电荷。然而，以既足够大且结构正确以实现高性能的方式来生长这些材料，一直是一个持续存在的挑战。
在最近的一项研究中，来自杰派信息技术学院（Jaypee Institute of Information Technology）的研究人员通过创造一种由垂直站立的二硫化钼薄片组成的大型薄片状结构的新型光传感器，解决了这一挑战。该团队并没有像铺煎饼一样将材料平铺，而是使用了一种称为化学气相沉积的过程，使材料生长时其微小的薄片能够直立在边缘上，看起来就像一片密集的微观刀刃森林。随后，他们通过在位于硅基底上的这个垂直森林之上放置一层铝金属来构建一个器件。这种设置创建了一个不同材料相遇的结，当光照射时，它形成了电流流动的路径。研究人员想要观察这种特定的、直立的结构是否比扁平版本能更好地检测光，特别是在紫外线和可见光照射下。
为了了解他们构建了什么，团队首先利用强大的显微镜和基于激光的工具对材料进行了观察。图像显示，这些薄片确实是直立着的，长度在 220 到 240 纳米之间，且拥有仅 10 到 20 纳米宽的极其尖锐的顶端。激光分析证实，该材料具有高度的结晶性，这意味着原子的排列非常有序且坚固，这对于在不损失能量的情况下移动电能至关重要。研究人员发现，这些薄片的尖锐、直立边缘至关重要，因为它们暴露了大量的活性位点，使得光可以被吸收，并且电荷可以被高效地产生和收集。
当团队测试器件在电学方面的表现时，他们发现金属与半导体之间的连接平滑且高效，允许电荷轻松流动而不会发生阻塞。随后，他们向器件照射不同类型的光，以观察其反应。在黑暗中，器件具有一个基础水平的电导率。当他们开启可见光源时，电导率略微增加了约 2.8%。然而，当他们使用能量更高的紫外线时，电导率跃升了近 15%。这种在紫外线下的显著提升表明，该器件特别擅长感知这一光谱部分。研究人员计算出，该器件可以将输入的紫外线以高水平的效率转化为电信号，产生的电流为每瓦光功率 320 毫安，这一数值优于其他研究中报道的许多类似器件。
研究还深入探讨了器件在不同电学条件和频率下的行为。通过测量器件存储和释放电荷的情况，团队发现二硫化钼与硅之间的界面包含某些缺陷，即所谓的“陷阱态”，这些陷阱可能会捕捉并释放电子。这些陷阱影响了器件对光和电的响应方式，尤其是在不同的测量速度下。尽管存在这些缺陷，但材料的垂直结构有助于电荷从器件底部快速移动到顶部，最大限度地减少了电荷在被检测到之前丢失或复合的可能性。器件内置的电势在暴露于光照时发生了轻微偏移，这表明进入的光子正在积极改变内部电场以帮助分离电荷。
最终，这项工作证明了通过以垂直、富含边缘的方向生长二硫化钼，可以创造出一个高效的光检测平台。薄片的尖锐顶端以及它们为电子提供的直接路径，使得该器件在对紫外线辐射做出强烈响应的同时，仍能在可见光下保持良好的性能。研究结果表明，通过精确控制这些材料的生长方式，科学家可以创造出不仅灵敏而且能够在广泛的光照条件下高效运行的探测器。这种方法为开发更具响应性和可靠性的下一代传感器，用于先进光学系统提供了清晰的路径。
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