Cientistas revelam mecanismo de funcionamento do fotodetector MoS₂ multicamadas com ampla faixa espectral e resposta multibanda

Como um material bidimensional típico, MoS₂ exibe propriedades ópticas e elétricas únicas devido à sua espessura atômica na dimensão vertical, tornando-o um ponto importante de pesquisa na área de detecção optoeletrônica.

O desempenho do MoS₂ dispositivos depende muito de suas características de materiais, estruturas de dispositivos e técnicas de fabricação. Portanto, as características de fotodetecção do MoS₂ dispositivos podem ser determinados por vários efeitos físicos, que contribuem para o desenvolvimento de MoS de banda larga₂fotodetectores baseados em .

Uma equipe de pesquisa da escola de Ciência Eletrônica e Engenharia da Southeast University desenvolveu MoS de banda larga₂ fotodetector, cobrindo uma faixa de 410 a 1550 nm. Através de uma série de experimentos elétricos e optoeletrônicos, o artigo revela o mecanismo de funcionamento da resposta óptica multibanda do MoS₂ dispositivo.

O trabalho está publicado na revista Dispositivos avançados e instrumentação.

Nos últimos anos, os fotodetectores de banda larga têm desempenhado um papel importante em vários campos, como comunicação óptica, imagem, transmissão, detecção, segurança ambiental e monitoramento. Como um material bidimensional típico, o dissulfeto de molibdênio (MoS₂), um dichalcogeneto de metal de transição, tem atraído atenção significativa devido às suas excelentes propriedades elétricas e ópticas, bem como à sua facilidade de processamento.

No entanto, o bandgap do MoS₂ limita o alcance de detecção de seus fotodetectores. Para ampliar a faixa de resposta do MoS₂ fotodetectores, vários métodos de tratamento químico foram relatados. Além disso, a integração do MoS₂ detectores com nanoestruturas fotônicas permitem uma resposta à luz aprimorada e ampliada.

No entanto, MoS esfoliado mecanicamente₂ fotodetectores preparados sem necessidade de tratamento químico possuem vantagens insubstituíveis. Conseguir fotodetecção sub-bandgap em dichalcogenetos de metais de transição através de esfoliação mecânica tornou-se um foco de pesquisa atual. Além disso, o desempenho dos fotodetectores de materiais bidimensionais está intimamente relacionado às estruturas dos dispositivos e aos métodos de fabricação.

Neste estudo, um MoS multicamadas₂ O fotodetector de transistor de efeito de campo (FET) foi preparado usando um método de esfoliação mecânica, exibindo uma ampla faixa de detecção espectral de até 1550 nm. Resultados experimentais demonstram que o MoS otimizado₂ O FET apresenta menor resistência e características de controle de porta mais estáveis.

Ao esfoliar mecanicamente MoS multicamadas₂ durante o processo de pré-transferência, alta responsividade e detectividade específica foram alcançadas sob iluminação de 480 nm. O dispositivo apresenta boas características de saída e transmissão sob luz incidente variando de 410 a 800 nm e é fotossensível. A largura de banda de resposta pode ser estendida para 1550 nm, permitindo resposta de banda larga em múltiplas regiões espectrais.

Além disso, foram analisadas as características de transporte da portadora e as respostas dependentes do tempo do dispositivo em diferentes comprimentos de onda. A detecção de luz visível é baseada nos efeitos fotocondutores e fotogating, enquanto a detecção de luz infravermelha além do bandgap depende principalmente do efeito fototérmico.

Uma equipe de pesquisa da Southeast University explicou as diferentes características elétricas entre MoS pré-transferência e pós-transferência₂ dispositivos através dos diferentes modos de contato entre MoS₂ e Au. A diferença de potencial de superfície (SPD) no MoS₂-Au junção de um MoS pós-transferência₂ dispositivo foi observado usando microscopia de força com sonda Kelvin.

Com base nos resultados da medição do SPD e na diferença na função trabalho, constatou-se que a função trabalho do MoS₂ é aproximadamente 0,05 eV menor que o do Au. O diagrama de bandas de energia antes e depois do contato revelou a presença de uma barreira Schottky no MoS₂Interface -Au, o que resultou em comportamento elétrico inferior. No caso de dispositivos de pré-transferência, o MoS₂A interface -Au foi influenciada pela fixação do nível de Fermi, levando a uma redução na função de trabalho do Au abaixo da do MoS₂. Como resultado, o contato Ohmico foi formado no MoS₂-Interface Au, reduzindo a resistência de contato e aumentando a corrente.

Este estudo apresenta um MoS multicamadas mecanicamente esfoliado otimizado₂ detector back-gate com capacidade de fotodetecção multibanda. Sob o processo otimizado de fabricação de pré-transferência, o dispositivo apresenta melhor desempenho de transporte de carga.

Sem a necessidade de tratamento químico, o MoS₂ detector alcança uma ampla fotodetecção espectral além do MoS₂ lacuna de banda. O dispositivo demonstra uma capacidade de resposta máxima de 33,75 AW⁻¹ na luz visível (480 nm), com uma detectividade específica correspondente de 6,1×10¹¹ centímetrosHz^1/2 C⁻¹. O mecanismo de resposta sob luz visível é atribuído aos efeitos fotogating e fotocondutores.

Além disso, o dispositivo apresenta resposta na luz infravermelha de 1550 nm, superando a limitação do bandgap, que é atribuída à variação na concentração de portadores causada pelo efeito fototérmico. O comportamento de fotodetecção de banda larga do dispositivo é atribuído ao efeito fotoelétrico na luz visível e ao efeito fototérmico na luz infravermelha, fornecendo insights para detecção de banda larga em temperatura ambiente e demonstrando potencial significativo em vários campos, como furtividade infravermelha, visão de máquina e monitoramento ambiental. .