英文原题：Plasma-Enhanced Interfacial Electric Field for High-Performance MoS2/p-Si Photovoltaic Photodetectors
通讯作者：石凯熙 (长春理工大学)；李金华 (长春理工大学)
作者：Wanyu Wang (王婉玉)，Kaixi Shi* (石凯熙)，Jinhua Li* (李金华)，Xueying Chu (楚学影) and Xuan Fang (方铉)
背景介绍
开发高响应度兼具快响应速度的高性能光电探测器，一直是领域内不懈追求的目标。目前，大部分研究通过引入局域表面等离子体共振(LSPR)来增强异质结的光吸收。然而，具有高光响应的等离子体异质结型光电探测器往往面临响应时间较长的困境(1~103 ms)。实际上，通过建立异质结或引入LSPR来改善材料光吸收的方法，不可避免地会增加材料内载流子的传输距离或者在集成过程中引入缺陷，延长了载流子的传输时间。因此，有必要设计新型的等离子体异质结光电探测器，使LSPR能同步提高器件的光响应度和响应速度。
文章亮点
近日，长春理工大学物理学院李金华团队在 ACS Applied Nano Materials 期刊上发表了一项关于等离子体共振增强界面电场的高性能Au@MoS2/p-Si光电探测器的研究。研究提出利用LSPR效应在增强异质结光吸收的同时，进一步增强内建电场，实现等离子体型异质结器件光吸收与光分离的同步提高。为了保证高质量的异质结界面，本文设计将Au NPs直接集成在单层二硫化钼(1L-MoS2)表面，避免由界面损伤或者界面污染带来的材料光学性质降低的问题。得益于这种等离子体光探测器结构，LSPR可以很容易地穿过1L-MoS2的厚度，以非接触的方式作用于界面，并通过时域有限差分(FDTD)模拟验证了这一结论。结果表明，该光伏器件兼具优异的光响应性能以及超快的响应速度，获得了1.96×1012 Jones的高探测率、1498 mA/W的高响应度以及3 µs的响应时间。这项工作有效解决了等离子体型光电探测器高光响应和快速响应速度之间的困境。
图1 (a) 测量MoS2/p-Si光电探测器I-V特性曲线的示意图。辐照激光波长为532 nm。(b-d)原始 MoS2/p-Si 与Au@MoS2/p-Si器件的I-V特性曲线。(e-g) 原始MoS2/p-Si与Au@MoS2/p-Si器件的光电流、响应度和探测率比较。(h-j) 原始MoS2/p-Si与退火后Au@MoS2/p-Si器件的开路电压VOC、短路电流ISC和光电流比较。
图1展示了Au@MoS2/p-Si光电探测器在Au等离子体共振的作用下实现异质结的光吸收增强，并通过退火处理进一步提高了LSPR对异质结的增强作用。此外，通过开路电压和短路电流的提高可以说明，相比于原始MoS2/p-Si器件，Au@MoS2/p-Si光电探测器具有更强的内建电场。
图2 (a) 飞秒脉冲激光器的原理图。激光器波长为532 nm，脉冲频率为1000 Hz，脉冲宽度为50 fs。(b) Au@MoS2/p-Si光电探测器的飞秒脉冲光信号。(c) Au@MoS2/p-Si光电探测器的响应时间和恢复时间。(d) Au@MoS2/p-Si光电探测器与其它等离子器件的探测率和响应时间比较。
图2展示了Au@MoS2/p-Si光电探测器在飞秒脉冲激光下具有稳定的信号输出，并实现约3 μs的超快响应速度。这主要是由于增强的内建电场加速了异质结体系内的载流子分离效率。此外，非嵌入异质结界面的Au等离子体结构设计保证了MoS2/p-Si的高界面质量，减少了缺陷对载流子分离的影响。
图3 (a-b) MoS2和p-Si构建异质结前后的能带图。(c-d) 光照下，MoS2/p-Si和Au@MoS2/p-Si异质结的能带图。(e) 理论模拟与实际测试的Au NPs吸收光谱。(f) 模拟的Au NP的电场分布。虚线表示电磁场增强范围。插图显示了Au等离子体共振可以作用于MoS2/p-Si的界面。
图3展示了Au@MoS2/p-Si异质结中内建电场的增强机制。通过异质结构的能带分析，解释了LSPR增加了MoS2/p-Si界面载流子浓度梯度，从而增强了异质结界面的内建电场强度。通过FDTD模拟进一步证明了Au NPs的电场范围可以穿过MoS2层并作用到异质结界面。
总结/展望
这项工作提出的等离子体光电探测器结构有效解决了高光响应和快速响应速度之间的困境，实现了金属等离子体共振效应在增强异质结内建电场方面的可能性，并扩展了LSPR在高性能等离子体光电器件中的应用潜力。
相关论文发表在ACS Applied Nano Materials ( https://doi.org/10.1021/acsanm.4c05426)， 论文通讯作者为长春理工大学物理学院硕士生导师石凯熙和长春理工大学物理学院教授李金华，论文第一作者为长春理工大学物理学院博士生王婉玉。该研究得到了国家自然科学基金、教育部“111”创新引智项目和吉林省科技厅项目的资助。
通讯作者信息
石凯熙 讲师
石凯熙：长春理工大学物理学院，讲师，硕士生导师。长期从事二维材料光电子器件的研究，主要涉及信息存储、光电探测、人工智能交叉领域的新型光电子器件，并取得了一定的创新性研究成果。发表SCI检索论文20余篇，授权国家发明专利5项，承担科研项目11项。
李金华 教授
李金华：长春理工大学物理学院，教授，博士生导师，吉林省第六批拔尖创新人才，吉林省首批“高校科研春苗人才”。主要开展复杂低维量子结构外延生长控制及微纳尺度可集成的光电子器件、纳米材料光电特性及在生物检测、光电催化等方面的应用研究。以第一作者和通讯作者发表SCI检索论文50余篇，授权国家发明专利12项，获吉林省科学技术奖2项、自然学术成果奖6项；承担国家自然科学基金委、总装备部、吉林省科技厅项目等40余项。
扫描二维码阅读英文原文
ACS Appl. Nano Mater. 2024, ASAP
Publication Date: November 25, 2024
https://doi.org/10.1021/acsanm.4c05426
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Xing Yi Ling
Nanyang Technological University
Deputy Editor
T. Randall Lee
University of Houston
ACS Applied Nano Materials 是一本跨学科期刊，发表涵盖与纳米材料应用相关的工程，化学，物理和生物学的各个方面的原创研究。
2-Year Impact Factor
CiteScore
Time to First Peer Review Decision
5.3
8.3
29.2
