中大新聞網(wǎng)訊（通訊員劉飛）由于具有優(yōu)良光致發(fā)光特性、強(qiáng)自旋軌道耦合能（420 meV），高量子產(chǎn)額（~6%），大激子結(jié)合能（0.3 eV）和高載流子遷移率（1103 cm2V-1s-1）等優(yōu)點(diǎn)，二硫化鎢（Tungsten Disulfide，WS2）被認(rèn)為是一種理想的可見(jiàn)光敏感材料。因?yàn)閷?duì)于光電探測(cè)器件來(lái)講，高光響應(yīng)度意味著其光生載流子的壽命較長(zhǎng)，而長(zhǎng)的載流子壽命不可避免地會(huì)導(dǎo)致其具有較長(zhǎng)的光響應(yīng)時(shí)間，所以獲取高光響應(yīng)度和快速的響應(yīng)時(shí)間一直是相互矛盾的難題。因此，設(shè)計(jì)一種新型的器件結(jié)構(gòu)來(lái)使得WS2材料兼具高光響應(yīng)度和快速響應(yīng)時(shí)間性能對(duì)于推動(dòng)其在可見(jiàn)光探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展就顯得十分必要。
在本研究中，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院劉飛教授和佘峻聰教授研究組基于單層二硫化鎢微針尖，設(shè)計(jì)出一種新型的平面場(chǎng)發(fā)射型可見(jiàn)光探測(cè)器件。利用三維電磁仿真軟件，通過(guò)優(yōu)化針尖頂角，針尖陣列間距以及陰陽(yáng)極距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)，單層WS2微針尖器件表現(xiàn)出優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射特性及光響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明，單層WS2三針尖器件的最大場(chǎng)發(fā)射電流密度可達(dá)52 A cm?2 (@300 V μm?1)，在綠光輻照下三針尖器件的最大光響應(yīng)度為6.8 × 105 A W?1，而對(duì)應(yīng)的光響應(yīng)時(shí)間為6.7 s。WS2平面場(chǎng)發(fā)射型可見(jiàn)光探測(cè)器件的性能要比光電導(dǎo)型、異質(zhì)結(jié)型和F-P微腔等其他類(lèi)型的光電探測(cè)器件有大幅提升，這表明其在高性能光電探測(cè)領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
圖1： (a，b) 單層WS2微針尖平面場(chǎng)發(fā)射器件的AFM和SEM圖；(c，d) 三針尖器件的AFM和SEM圖。其中白色虛線(xiàn)給出了針尖位置，三個(gè)針尖的頂角均約為60°；(e，f) WS2單針尖或三針尖的拉曼光譜和熒光光譜
圖2 ：(a) 不同頂角單層WS2場(chǎng)發(fā)射的電場(chǎng)分布模擬；(b) 二硫化鎢尖端的場(chǎng)強(qiáng)與頂角之間的關(guān)系
圖3： (a, d) 單層WS2單針尖或三針尖器件在不同輻照條件下的I-V曲線(xiàn)；(b、e) 單層WS2單針尖或三針尖器件在綠光照射下的光響應(yīng)曲線(xiàn)；(c、f) 相應(yīng)提取的上升和下降光響應(yīng)曲線(xiàn)
該團(tuán)隊(duì)成功發(fā)展出單層二硫化鎢微針尖的新型平面場(chǎng)發(fā)射型可見(jiàn)光探測(cè)器件的EBL制作工藝，并系統(tǒng)研究了其光敏特性。通過(guò)仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二硫化鎢微針尖的頂角為60°，針尖陣列之間的距離為3 μm，陰陽(yáng)極間距為100 nm時(shí)，器件不僅擁有最佳的場(chǎng)發(fā)射特性，而且也具有優(yōu)良的可見(jiàn)光響應(yīng)特性。單層WS2三針尖器件的最大光響應(yīng)度可達(dá)6.8 × 105 A W?1，與此同時(shí)器件也具有較快的光響應(yīng)時(shí)間6.7 s，這要比單針尖器件的光響應(yīng)度（1.8 × 103 A W-1，9.2 s）高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該團(tuán)隊(duì)將二硫化鎢針尖具有優(yōu)良光響應(yīng)特性的原因歸咎于其原子級(jí)的尖銳邊緣、較大的電導(dǎo)率以及高的外量子效率。這種平面場(chǎng)發(fā)射型光電探測(cè)器件結(jié)構(gòu)很可能為解決可見(jiàn)光探測(cè)中高光響應(yīng)度-快速響應(yīng)時(shí)間這一相互矛盾的難題提供了一種新的實(shí)驗(yàn)路線(xiàn)。
該成果近期以“High-Performance Planar Field-Emission Photodetector of Monolayer Tungsten Disulfide with Microtips”為題在國(guó)際權(quán)威期刊Small上發(fā)表。中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院田顏博士為本文的第一作者，劉飛教授和佘峻聰教授為本文的共同通訊作者。中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院為第一作者單位。
