二维干货：二维光电器件的分类（二）

在我们之前的文章中，我们讨论了石墨烯和黑磷，这两种材料展示了出色的光电性能和应用潜力。本文将继续探索二维材料的分类，重点介绍过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides，简称TMDCs）和其他化合物二维材料。TMDCs，如二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）等，因其优异的电学和光学性能，成为光电器件研究中的热门材料。此外，其他化合物二维材料也展示了独特的特性，为光电器件的多样化发展提供了更多可能性。本期文章将详细介绍这些材料的分类及其在光电器件中的应用前景。

Ⅵ族TMDCs光电探测器

与石墨烯相比，Ⅵ族TMDCs具有明显的带隙，在单层或少层结构中表现出强烈的光吸收能力。因此，由此材料制成的器件通常具有更高的响应速度和响应性能。此外，这种材料在单层或少层结构中具有柔韧性，适用于大面积阵列的柔性电子器件。

带宽是评估光电探测器性能的关键指标。与石墨烯相比，MoS₂具有较窄但非零的带隙，并且具有高光响应。这使得可以制造具有大带宽和高响应的器件。谢等人制造了一个多层MoS₂光电探测器，展示了超宽带光响应，如图1a所示。通过引入和控制MoS₂中的缺陷，可以减小带隙，产生适合中红外波长的光响应。在445纳米（蓝光）∼2717纳米（MIR）处，响应度和检测速率分别达到了最大值50.7毫安每瓦和1.55 × 10⁹ Jones。这些特性显示了其在现代光通信和光电系统（如摄像机）中的广泛潜力。随后，为了进一步拓展器件的光谱吸收范围，并大幅提升响应性能，沈等人展示了基于BP/MoTe₂/Gr的二维vdW异质结光电探测器，如图1b所示。该器件展示了从深紫外（DUV）到中红外的宽带光响应，具有高带宽（2.1兆赫兹）和高特定探测度超过10⁹ cm Hz^1/2 W⁻¹。该异质结光电探测器的性能优于先前的报道。该器件结构可用于未来高分辨率光谱成像应用，异质结可用于开发用于超分辨率高光谱成像的密集像素阵列。在此基础上，吴等人制备了一个高质量的垂直石墨烯/MoTe₂/Si异质结光电探测器，如图1c所示。MoTe₂的独特正交晶格结构具有破缺反演对称性，确保有效载流子传输，导致载流子复合减少。此外，与透明石墨烯电极形成的高质量垂直结构器件，在3.0∼10.6微米（MIR）范围内具有大特定探测度4.75∼2.8 × 10⁸ Jones。这提供了一种可行方法，用于制造适合在室温下检测MIR光和感测图像的高灵敏度二维光电探测器。

图1. Ⅵ族元素宽带光电探测器。(a) MoS₂样品及空置石英衬底的实物图片。(b) 垂直BP/MoTe₂/Gr器件的示意图。(c) 石墨烯/1T′-MoTe₂/Si肖特基结器件的示意图。

X族TMDCs光电探测器

NTMDs是TMDs的一个新的子类，表现出相对较窄且可调节的带隙。在单层到多层相变过程中，NTMDs表现出显著的原子层相关电子行为，即“半导体向半金属/金属”过渡。二维NMDs的优异物理化学性质使其广泛应用于纳米电子学、光电子学以及能量转换与储存领域。

吴等人展示了通过将二维PdSe₂薄膜转移至具有预定SiO₂窗口的Ge晶片上制造Gr/PdSe₂/Ge异质结，如图2a所示。通过高质量的PdSe₂薄膜增强了混合维德瓦尔斯异质结的光收集效率，并通过石墨烯透明电极改善了载流子选择效率，该异质结展示了出色的器件性能，具有高达691.5毫安每瓦的高响应度。该器件展示了从深紫外（DUV）到中红外（200∼3043纳米）的超宽带光响应，并对纳秒脉冲光信号具有快速响应，如图19b–c所示。曾等人通过在n-Si上直接生长二维PtTe₂，制造了高质量的垂直肖特基结PtTe₂/Si，如图2d所示。具有较少界面缺陷的外延二维层诱导其在衬底法线方向上的优选取向，并且使用透明石墨烯电极显示出高效的垂直载流子收集。因此，得到的PtTe₂/Si光电探测器在从200纳米到10.6微米的超宽光谱范围内具有高响应度，这是基于二维TMDCs的光电探测器报道的最宽检测范围之一（图2e）。此外，该PtTe₂/Si光电探测器显示了约2.4微秒的快速响应速度，如图2f所示。

图2. X族过渡金属二硫化物宽波长和高速光电探测器。

其他TMDCs光电探测器

与其他TMDCs不同，ReX₂晶体（X = S，Se）由于其降低的晶体对称性，表现出复杂的电子能带结构和大的平面各向异性特性。此外，多层ReX₂即使在其体块形式中也表现出强烈的二维特性。除了它们的基础兴趣外，ReX₂晶体在太阳能电池、柔性电子技术和光电器件领域有着潜在的应用前景。

近期，项等人报道了二维ReS₂晶体管中异常宽带光谱光探测现象，如图3a所示。响应时间几乎比之前报道的ReS₂光电探测器短了3∼4个数量级，跨波长窗口小于3毫秒，如图3b所示。此外，光晶体管还展示了在弱光探测中的潜力，NEP小于5皮瓦每根赫兹的数值，如图3c所示。制造的ReS₂晶体管显示了在全光谱光感应中的潜在应用。

图3. 其他TMDCs高性能光电探测器。

其他化合物二维光电探测器

除了上述提到的材料之外，二维材料家族还包括各种二元或三元化合物。它们优异的光学和电学特性使其非常适合于光电探测器和芯片集成应用。

乔等人通过在石墨烯上大面积外延生长Bi₂Te₃，制备了石墨烯/Bi₂Te₃异质结光电探测器，如图4a所示。该器件表现出从可见光到红外的宽带光响应，如图4b所示，具有较高的响应度（532 nm处为35 A W⁻¹）和增益（最高光电导增益达到83），相比纯单层石墨烯基器件。尹等人利用限空CVD方法制备了高质量的非层状二维Fe₃O₄纳米片，厚度约为1.95 nm。超薄Fe₃O₄纳米片基光电探测器展示了从紫外到长波红外的超宽带检测性能。在室温下，该光电探测器在10.6 µm激光照射下表现出令人印象深刻的响应度561.2 A W⁻¹，EQE为6.6 × 10³%，特定探测率为7.42 × 10⁸ Jones，如图4c和d所示。在10.6 µm激光照射下获得的最小NEP值为5.93 pW Hz^−1/2，如图4e所示。光响应的机制被确定为光电转换效率和玻璃效应，两者共同促进了长波红外范围内的光电器件发展。

近年来，由于其在学术研究和实际应用中的潜力，二维三元半导体单晶引起了广泛关注。Packiyaraj等人在硬质（SiO₂/Si）和通用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上进行了高性能超薄少层SnSSe光电晶体管的深入研究，如图4a所示。SnSSe基光电晶体管展示了约6000 A W⁻¹的高响应度（图4）和约9毫秒的快速响应（图4c）。这些独特的特性使得超薄SnSSe成为下一代光电子应用的高度合格的候选材料。

图4. 三元二维材料高性能光电探测器。

小结

本文通过对过渡金属二硫化物（TMDCs）和其他化合物二维材料的分类和特性的介绍，展示了它们在光电器件领域的巨大潜力。TMDCs，例如二硫化钼（MoS₂）和二硫化钨（WS₂），因其优异的电学和光学性能，已在光电探测器、发光二极管和光伏器件中展现出广泛的应用前景。其他化合物二维材料也通过其独特的物理化学性质，为光电器件的设计和性能优化提供了新的思路。

未来，随着材料科学和纳米技术的不断发展，更多新型二维材料有望被发现并应用于光电器件领域。同时，通过进一步的研究，我们可以更深入地理解这些材料的特性和机制，推动其在实际应用中的进展和商业化。二维材料的多样性和可调控性将为光电器件的发展带来更多的可能性和创新机会。