Adv.Funct.Mater.：基於多層二維NiPS3納米片的高性能紫外光電探測器

【引言】

紫外光電探測器廣泛應用於輻射器校準、火災探測、衛星光學通訊和生物感測等領域。傳統的紫外光電探測器存在半導體材料與硅基質之間晶格失配和熱膨脹係數不匹配等問題，阻礙了紫外光電探測的發展。二維材料通過范德華力附著在基底材料上因此不存在晶格失配和熱膨脹係數不匹配的等問題，此外，二維材料較小的厚度可以縮短響應時間。金屬磷硫化物（MPTs）這種新型二維材料與MoS2有著相似的結構。通過更換不同的金屬元素，MPTs納米片的帶隙可以從1.3eV調節到3.5eV，具有從近紅外到紫外區的寬的波長響應。此外，MPTs擁有較高的載流子遷移率。帶隙寬度為3.1eV的NiPS3作為一種新型MPTs半導體材料，在紫外光電探測領域具有潛在的應用價值。但由於缺乏合成二維超薄NiPS3的方法，使得NiPS3在紫外光電探測領域的研究受到限制。

【成果簡介】

近日，中國科學院何軍教授、電子科技大學熊杰教授和西北工業大學馮麗萍教授（共同通訊作者）在Adv. Funct. Mater.上發表了一篇題為"High-Performance Ultraviolet Photodetector Based on a Few-Layered 2D NiPS3Nanosheet"的文章。該研究首次使用化學氣相沉積法製備出了厚度為3.2nm的NiPS3二維納米片，並用該材料製備出了性能優越的紫外光電探測器。器件的響應時間達到5ms，具有超低的暗電流（10fA），比探測率達到1.22×1012瓊斯。

【圖文導讀】

圖1：NiPS3二維材料的結構與表徵

(a) NiPS3（100）晶面結構圖和單層NiPS3側視圖；

(b) 生長在碳纖維上的NiPS3納米片的SEM；

(c) NiPS3納米片的TEM和HRTEM；

(d) 兩種不同厚度的硅基質上的NiPS3納米片的AFM形貌結構圖，A為3.5nm，B為6nm。

圖2：生長厚度與拉曼光譜依賴關係研究

(a) 生長在硅襯底不同厚度(3.2-17.3nm)的NiPS3納米片的拉曼光譜；

(b-d) a圖中用綠色矩形中光譜的放大圖；

(e) 硅基生長厚度與拉曼光譜峰強以及峰位置的依賴關係；

(f) 生長在藍寶石襯底上不同厚度(2.1-45.5nm)的NiPS3納米片的拉曼光譜；

(g) 藍寶石襯底上厚度與拉曼光譜峰強以及峰位置的依賴關係。

圖3：器件的結構、光響應性能和能帶結構圖

(a) 器件的AFM圖，插圖為薄膜厚度；

(b) 器件分別在暗態、254nm光源、473nm光源下的光響應曲線；

(c) 器件在254、473nm光源下的光響應曲線，插圖為器件AFM圖；

(d) 器件的能帶圖，左：未照射時能帶結構圖；中：473nm光源照射下的能帶結構圖；右：254nm光源照射下的能帶結構圖。

圖4：器件結構示意圖以及器件性能表徵

(a) 器件結構示意圖；

(b) 4.7nm厚度器件的光電流響應曲線；

(c) 通過示波器測得器件的光電壓響應曲線；

(d) 4.7nm厚度器件的響應時間和下降時間；

(e) 不同光波段下的響應度，表明器件具有光譜選擇特性；

(f) 器件在150和330 nm光波長激發時的反常零漂。

圖5：與其他二維器件的性能對比

Table1 與基於不同材料的二維光電探測器的標準性能對比；

Table2 與傳統半導體材料的光電探測器的標準性能對比。

【小結】

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