【MoS2】应变增强的单层MoS2光电探测器

这篇文章的标题是《Strain-Enhanced Large-Area Monolayer MoS2 Photodetectors》,作者是Borna Radatovic等人,发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊的2024年第16卷。文章主要研究了应变增强的大面积单层MoS2光电探测器的性能和应用潜力。

以下是文章的研究内容:

摘要

  • 研究展示了机械应变与单层MoS2光响应性增加之间的直接相关性。
  • 发现拉伸应变可以提高单层MoS2光电探测器的效率。
  • 设备的高光电流和延长的响应时间表明,设备主要由光门控机制控制,这种机制随着应变的施加变得更加明显。
  • 证明了非封装的MoS2单层可以在应变基设备中使用多个周期,并在环境条件下长时间保持功能性,不会丧失功能。
  • 这种稳健性强调了MoS2在进一步功能化和不同柔性传感器应用中的潜力。

1. 引言

  • 二维(2D)材料对机械变形具有显著的韧性,与应变调节其性能相结合,为下一代应变电子学提供了重大进展。
  • 应变在2D材料中引入晶格变形,如键长和角度的变化。
  • 应变还改变了半导体2D材料的带隙,导致激子能量的移动或电阻的变化。
  • 通过应用应变,MoS2单层的光电流和光响应性得到了显著提高。

2. 实验方法

  • 使用了差分反射光谱、原子力显微镜(AFM)、光致发光(PL)映射和I-V特性测试等方法来表征MoS2单层的光学和形态特性。
  • 通过光电流光谱学在不同波长的光照射下测量了光电流,以研究应变对MoS2光电探测器性能的影响。

2.1. 差分反射光谱(Differential Reflectance Spectroscopy)

  • 使用的设备:Motic BA310金相显微镜,配备50倍物镜(NA = 0.55,WD = 8.2 mm)。
  • 光源:卤素光源作为光学探针。
  • 信号分析:通过修改的三目镜将光源分成50:50的比例,其中一半用于通过Thorlabs ccs 200/m CCD光谱仪进行信号分析,另一半用于样品成像。
  • 目的:通过光学检查和光谱分析来确认MoS2单层的成功转移,并确定其为单层。

2.2. 原子力显微镜(AFM)

  • 使用的设备:JPK Nanowizard Ultra Speed AFM仪器。
  • 模式:非接触AC(轻敲)模式。
  • 探针:Bruker TESP-V2硅探针,名义弹簧常数为37 N/m,尖端半径为7 nm,共振频率为320 kHz。
  • 目的:在环境条件下记录AFM图像,以评估样品的形貌和表面粗糙度。

2.3. 光致发光(Photoluminescence, PL)映射

  • 激光源:使用波长为532 nm的激光,激光功率为250 μW。
  • 聚焦:通过50倍无穷远校正物镜(NA = 0.75)聚焦,激发样品上直径为0.68 μm的光斑。
  • 信号收集:PL信号通过相同的显微镜物镜收集,通过布拉格滤波器过滤,通过50 μm核心光纤作为共聚焦检测针孔,并在50 cm长的光谱仪中与150 l/mm衍射光栅和冷却EM CCD探测器结合分析。
  • 目的:获取MoS2的PL光谱图,以确认整个器件通道被MoS2覆盖,并评估激子能量分布。

2.4. I-V特性测试

  • 电极制备:使用阴影掩模蒸发法制备电极,并通过银浆将电极连接到源测量单元(SMU)。
  • 测量设备:Keithley 2450 SMU用于所有电输运测量。
  • 目的:通过测量源极和漏极之间的电流,同时改变施加在电极上的偏压电压,来表征器件的电流-电压特性。

2.5. 光电流光谱学(Photocurrent Spectroscopy)

  • 光源设置1:使用指定波长的LED灯(365, 405, 420, 455, 470, 505, 530, 565, 595, 617, 625, 660, 780, 和 850 nm)和功率为P = 1.25 μW的光斑直径为400 μm的光源。
  • 光源设置2:使用Bentham TLS120Xe光源,可以连续设置不同波长和任意步长。
  • 目的:通过测量不同波长光照射下的光电流来评估光电探测器的性能,特别是在激子能量范围内的响应。

这些测试方法为研究者提供了关于MoS2单层光电探测器在不同应变条件下的性能和稳定性的全面了解。通过这些详细的实验方法,研究者能够准确地评估材料的特性,并为未来的应用和改进提供了坚实的基础。

3. 结果与讨论

  • 通过CVD生长的大规模MoS2单层片的均匀性和器件形态进行了研究。
  • 发现通过弯曲或拉伸基底进行应变工程可以调节MoS2的电阻。
  • 通过光电流光谱学进一步表征了应变对MoS2光电探测器性能的影响,发现应变可以增强MoS2的光响应性。
  • 通过施加小于1%的拉伸应变,MoS2的光电流和光响应性可以提高三倍。
  • 研究结果表明,应变可以显著提高MoS2光电探测器的性能,并且这种效应可能与晶界处的陷阱态变化有关。

4. 结论

  • 本研究展示了大规模MoS2单层适合制造触觉和应变传感器,这些传感器在长时间内可重复操作,无需封装,证明了进一步MoS2功能化和新型应用的吸引力。
  • 通过应变依赖的光电流光谱学,明确证明了通过施加小于1%的拉伸应变,MoS2的光响应性可以提高三倍。
  • 尽管本研究中的器件性能低于先前的报告,但这主要是由于器件通道中的固有或转移引起的缺陷和污染所致,这些可以通过未来的工作来最小化,并随后优化器件性能。
  • 本工作强烈支持利用大规模MoS2单层制造新型柔性和光电器件,这些器件耐用,并且通过对其2D材料基础施加应变来增强其操作性。

相关内容

  • 文章提供了支持信息,包括MoS2转移过程的示意图、AFM拓扑图像、光电流随时间变化的连续测量、应变测量得到的GFP、GFA和GFB值,以及与先前出版物的器件性能比较。

这篇文章的研究为2D材料在应变电子学和光电探测器领域的应用提供了新的见解,并展示了通过应变工程来提高MoS2器件性能的潜力。

图 1.器件沟道中的均匀性表征

  • (a) 展示了MoS2单层转移到预制的PC片上,并带有一对金电极的光学显微图像。虚线红框标出了MoS2覆盖在电极上的区域。
  • (b) 微反射光谱图显示了MoS2单层在通道中的反射光谱,其中包括A和B激子的洛伦兹拟合以及累积拟合。
  • (c) A激子共振的PL图,展示了设备通道中MoS2的特性A激子能量。
  • (d) AFM拓扑图像显示了一个30微米×30微米的区域,没有可见裂纹。
  • (e) 沿着图 (d) 中的白色虚线箭头获取的通道线剖面图。

图 2. MoS2单层中的压阻效应

  • (a) 在高达1%的不同应变水平下进行的I-V特性测试。
  • (b) 电阻与循环次数的关系图,展示了20个弯曲周期中电流与电压的变化,每个周期包括21个应变从0%增加到0.6%然后回到0%的步骤。
  • (c) 展示了每个新半周期的GFP值,其中奇数半周期对应于通过弯曲施加应变,偶数半周期对应于释放应变至0%。
  • (d) 展示了20个后续弯曲周期中每个新半周期的GFP值。

 图 3. 应变增强的MoS2光响应

  • (a) 在光照射下设备光学显微镜图像。
  • (b) 在不同应变水平下,645纳米光照下的MoS2光响应,光照开启45秒后关闭。
  • (c) 在0.0, 0.03和0.09%的拉伸应变下,使用LED光源照射的MoS2单层片的光电流光谱。
  • (d) 在0.0, 0.3和0.9%的拉伸应变下,使用连续光源照射的MoS2单层片的高分辨率光电流光谱。数据显示了B (604纳米) 和 A (645纳米) 激子峰的能量范围,并用两个洛伦兹拟合。

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