光电技术专题 | 双功能半金属作为超灵敏 MoS2光电探测器的等离子谐振器和欧姆接触
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00100
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近年来，单层过渡金属二硫属化物（TMDC）一直备受研究者们的关注，因其在纳米电子和光电器件领域中的巨大潜力。然而，一些挑战一直束缚着它们的性能，包括费米能级钉扎效应导致的接触电阻问题，以及原子薄性质限制了吸收和光电性能。已有研究表明，将等离子体纳米结构与单层 MoS2集成提供了克服弱光与物质相互作用的解决方案。等离子体纳米结构能够通过局域表面等离子体共振（LSPR）限制和增强电磁波，增加周围MoS2的散射截面。在之前的工作中，已经提出了几种贵金属等离子体结构来最大化MoS 2光电探测器的光电性能。例如，据报道，Ag纳米粒子和Au纳米盘间隙模式配置可将单层MoS2的光电流提高8.8倍。值得惊喜的是，近期一项突破性的研究提出了一种创新的技术，有望解决上述两个难题问题，让我们一起来看看吧。
研究人员利用了单层 MoS2 材料，成功开发了一种全半金属等离子体光电探测器，将其与Bi接触电极和Bi等离子体纳米盘集成，取得了令人瞩目的成果。这项工作不仅为高性能纳米电子和光电器件开辟了新的可能性，还提出了一种创新的方法来解决TMDC材料所面临的技术挑战。
文章中针对MoS2材料进行了PL光谱测试及Raman光谱测试，并对BiND-MoS2器件进行了转移输出曲线测试，L-IV测试，时间分辨光响应测试及光响应率测试。南京迈塔光电科技有限公司开发的ScanPro Advance高分辨高速多物理量扫描综合测试系统在一套设备上可进行以上的所有测试。
图1 (a) BiND - MoS2光电探测器示意图。Si/SiO2基板上单层 MoS2的(b) PL光谱和(c)拉曼光谱。(d) Bi 接触下单层 MoS2的TEM图像。插图是红色正方形区域的衍射图案。比例尺，5 nm。
图1和图2分别为文章中对MoS2材料进行的PL光谱测试Raman光谱测试结果，
图3和图4为迈塔光电的ScanPro Advance对MoS2材料进行的PL光谱测试Raman光谱测试结果。
图2 具有不同金属接触的原始 MoS2的光电特性。使用 (a) Cr/Au 电极和 (b) Bi/Au 电极在 600 nm 入射光的各种照明强度下、V g = 0 V 下从原始 MoS2获得的I-V曲线。插图显示了I - V特性靠近原点。(c) Bi电极 MoS2光电探测器在黑暗和照明状态下的传输曲线。入射激光功率为1.9 mW cm–2。(d) 原始 MoS2的时间分辨光响应在周期性 600 nm 激光照射下使用不同的金属电极，V ds = 2 V时照射强度为 1239 mW cm–2 。
首先，让我们来看看这项技术是如何解决费米能级钉扎效应问题的。通过使用Bi作为接触金属，研究团队成功抑制了金属-半导体界面处的费米能级钉扎效应，这一效应通常会导致光电探测器的功耗增加和光电流传输能力下降。这一创新提高了响应速度并减少了接触电阻的光电流损耗，为TMDC光电器件的性能提供了重要的改进。
图3 (a) FDTD 模拟 MoS2层在 610 nm 处与不同尺寸的 BiND 集成的吸收。(b) FDTD 模拟与不同尺寸的 AuND 集成的 MoS2层在 610 nm 处的吸收。(c) 610 nm 激光下优化 BiND 尺寸的电场分布和场增强。(d) 610 nm 激光下优化 AuND 尺寸的电场分布和场增强。最大场增强位于 MoS2和纳米盘的界面处。
图4 BiND-MoS2光电探测器的光电特性。(a)在V g = 0 V 的600 nm 入射光的各种照明强度下从BiND-MoS2器件获得的I – V曲线。(b)在V ds = 2 V的 600 nm 激光下光电流的照明功率依赖性V g = 0 V。(c) BiND-MoS2器件在 532 和 600 nm 激光照射下的时间分辨光响应。(d) FDTD 模拟具有和不具有 BiND的 MoS2的吸收光谱。(e) 原始单层 MoS2和 BiND-MoS2的光响应性光电探测器作为照明波长的函数。(f)在不同栅极电压下，V ds = 2 V 时， BiND-MoS2器件的光响应性与照明波长的函数关系。
图5为文章中BiND-MoS2器件进行的L-IV测试结果，
图6为迈塔光电的ScanPro Advance测试的某种二维材料器件的L-IV。
图7为文章中BiND-MoS2器件进行的时间分辨光响应测试结果，
图8为迈塔光电的ScanPro Advance测试的某种商用器件的时间分辨光响应曲线，测试光源为氙灯。
此外，研究团队还在Bi等离子体结构和MoS2之间的界面上发现了强局域电磁场效应，这显著增强了600 nm处的光子到激子的转换效率，提高了光电探测器的性能。与传统电极的设备相比，这种全半金属 MoS2光电探测器的光响应度提高了惊人的690%。更令人印象深刻的是，这项研究的设备探测率达到了6.40×1012 Jones，创下了等离子体 MoS2 光电探测器的最高记录。
图5 在 600 nm 激光照射下，V ds = 2 V 和V g = 0 V 时，BiND-MoS2光电探测器的 (a) 光响应率和 (b) 探测率与功率密度的关系。
图9为文章中BiND-MoS2器件进行的光响应率测试结果，
图10为迈塔光电的ScanPro Advance测试的某种商用Si探测器的光响应率曲线，测试光源为氙灯。
这项重要的工作为实现高性能和节能的TMDC光电器件提供了一种崭新的途径。通过将多功能半金属与TMDC集成，研究人员不仅提高了光电探测器的性能，还为纳米电子领域的未来打开了崭新的大门。
总之，这项研究为我们带来了令人振奋的消息，揭示了纳米电子和光电器件领域的新前景。这一创新技术的应用前景无限，相信它将为未来的科技发展带来巨大的推动力。让我们共同期待这一领域的更多突破，开创纳米电子时代的新篇章。
ScanPro Advance 为高配置定制化的多功能光电测试系统，灵活的配置可以满足复杂的定制化需求。在单台设备上可以集成拉曼光谱，荧光光谱，稳态/瞬态光电流测试，吸收光谱，荧光寿命测试，电致发光测试，并且通过高精度的压电平移台进行光谱扫描，光电流扫描以及荧光寿命测试。
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