科学家揭示了具有宽光谱范围和多波段响应的多层MoS2光电探测器的工作机制

MoS2作为一种典型的二维材料，因其在垂直方向上的原子厚度而表现出独特的光学和电学性质，使其成为光电探测领域的研究热点。

MoS2器件的性能很大程度上取决于其材料特性、器件结构和制造技术。因此，MoS2器件的光电探测特性可以由各种物理效应决定，这有助于宽带MoS2基光电探测器的发展。

东南大学电子科学与工程学院研究团队研制出宽带MoS2光电探测器，覆盖范围为410~1550nm。论文通过一系列电学和光电实验，揭示了MoS2器件多波段光学响应的​​工作机制。

近年来，宽带光电探测器在光通信、成像、传输、传感、环境安全、监测等各个领域发挥了重要作用。作为一种典型的二维材料，二硫化钼(MoS2)是一种过渡金属二硫族化物，由于其优异的电学和光学性能以及易于加工而引起了人们的广泛关注。

然而，MoS2的带隙限制了其光电探测器的检测范围。为了拓宽MoS2光电探测器的响应范围，已经报道了各种化学处理方法。此外，MoS2探测器与光子纳米结构的集成可以增强和拓宽光响应。

然而，无需化学处理而制备的机械剥离MoS2光电探测器具有不可替代的优势。通过机械剥离实现过渡金属二硫族化物的亚带隙光电探测已成为当前研究的热点。此外，二维材料光电探测器的性能与器件结构和制造方法密切相关。

在这项研究中，采用机械剥离方法制备了多层MoS2场效应晶体管(FET)光电探测器，表现出高达1550nm的宽光谱检测范围。实验结果表明，优化后的MoS2FET具有更低的电阻和更稳定的栅极控制特性。

通过在预转移过程中机械剥离多层MoS2，在480nm照明下实现了高响应度和特定探测率。该器件在410~800nm的入射光下表现出良好的输出和传输特性，并且具有光敏性。响应带宽可扩展至1550nm，从而实现跨多个光谱区域的宽带响应。

此外，还分析了器件在不同波长下的载流子传输特性和时间相关响应。可见光检测基于光电导和光电门控效应，而带隙之外的红外光检测主要依赖于光热效应。

东南大学的研究团队通过MoS2与Au之间不同的接触方式解释了转移前和转移后MoS2器件的不同电学特性。使用开尔文探针力显微镜观察转移后MoS2器件的MoS2-Au结处的表面电势差(SPD)。

基于SPD的测量结果和功函数的差异，发现MoS2的功函数比Au的功函数小约0.05eV。接触前后的能带图显示MoS2-Au界面处存在肖特基势垒，这导致电学行为较差。在预转移器件的情况下，MoS2-Au界面受到费米能级钉扎的影响，导致Au的功函数降低到低于MoS2的功函数。结果，在MoS2-Au界面处形成欧姆接触，降低了接触电阻并增加了电流。

本研究提出了一种优化的机械剥离多层MoS2背栅探测器，具有多波段光电探测功能。在优化的预转移制造工艺下，该器件表现出改进的电荷传输性能。

无需化学处理，MoS2探测器即可实现超出MoS2带隙的宽光谱光电探测。该器件在可见光(480nm)下表现出33.75AW-1的最大响应度，相应的比探测率为6.1×1011cmHz1/2W-1。可见光下的响应机制归因于光选通和光电导效应。

此外，该器件在1550nm红外光下表现出响应，超过了带隙限制，这是由于光热效应引起的载流子浓度变化所致。该器件的宽带光电探测行为归因于可见光中的光电效应和红外光中的光热效应，为室温宽带探测提供了见解，并在红外隐身、机器视觉和环境监测等各个领域展示了巨大的潜力。