中大新聞網(wǎng)訊（通訊員劉飛）由于具有優(yōu)良光致發(fā)光特性、強(qiáng)自旋軌道耦合能（420 meV），高量子產(chǎn)額（~6%），大激子結(jié)合能（0.3 eV）和高載流子遷移率（1103 cm²V^-1s^-1）等優(yōu)點(diǎn)，二硫化鎢（Tungsten Disulfide，WS₂）被認(rèn)為是一種理想的可見光敏感材料。因?yàn)閷τ诠怆娞綔y器件來講，高光響應(yīng)度意味著其光生載流子的壽命較長，而長的載流子壽命不可避免地會導(dǎo)致其具有較長的光響應(yīng)時(shí)間，所以獲取高光響應(yīng)度和快速的響應(yīng)時(shí)間一直是相互矛盾的難題。因此，設(shè)計(jì)一種新型的器件結(jié)構(gòu)來使得WS₂材料兼具高光響應(yīng)度和快速響應(yīng)時(shí)間性能對于推動其在可見光探測領(lǐng)域的發(fā)展就顯得十分必要。

在本研究中，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院劉飛教授和佘峻聰教授研究組基于單層二硫化鎢微針尖，設(shè)計(jì)出一種新型的平面場發(fā)射型可見光探測器件。利用三維電磁仿真軟件，通過優(yōu)化針尖頂角，針尖陣列間距以及陰陽極距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)，單層WS₂微針尖器件表現(xiàn)出優(yōu)異的場發(fā)射特性及光響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明，單層WS₂三針尖器件的最大場發(fā)射電流密度可達(dá)52 A cm^?2 (@300 V μm^?1)，在綠光輻照下三針尖器件的最大光響應(yīng)度為6.8 × 10⁵ A W^?1，而對應(yīng)的光響應(yīng)時(shí)間為6.7 s。WS₂平面場發(fā)射型可見光探測器件的性能要比光電導(dǎo)型、異質(zhì)結(jié)型和F-P微腔等其他類型的光電探測器件有大幅提升，這表明其在高性能光電探測領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1： (a，b) 單層WS₂微針尖平面場發(fā)射器件的AFM和SEM圖；(c，d) 三針尖器件的AFM和SEM圖。其中白色虛線給出了針尖位置，三個(gè)針尖的頂角均約為60°；(e，f) WS₂單針尖或三針尖的拉曼光譜和熒光光譜

圖2 ：(a) 不同頂角單層WS₂場發(fā)射的電場分布模擬；(b) 二硫化鎢尖端的場強(qiáng)與頂角之間的關(guān)系

圖3： (a, d) 單層WS₂單針尖或三針尖器件在不同輻照條件下的I-V曲線；(b、e) 單層WS₂單針尖或三針尖器件在綠光照射下的光響應(yīng)曲線；(c、f) 相應(yīng)提取的上升和下降光響應(yīng)曲線

該團(tuán)隊(duì)成功發(fā)展出單層二硫化鎢微針尖的新型平面場發(fā)射型可見光探測器件的EBL制作工藝，并系統(tǒng)研究了其光敏特性。通過仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二硫化鎢微針尖的頂角為60°，針尖陣列之間的距離為3 μm，陰陽極間距為100 nm時(shí)，器件不僅擁有最佳的場發(fā)射特性，而且也具有優(yōu)良的可見光響應(yīng)特性。單層WS₂三針尖器件的最大光響應(yīng)度可達(dá)6.8 × 10⁵ A W^?1，與此同時(shí)器件也具有較快的光響應(yīng)時(shí)間6.7 s，這要比單針尖器件的光響應(yīng)度（1.8 × 10³ A W^-1，9.2 s）高兩個(gè)數(shù)量級。該團(tuán)隊(duì)將二硫化鎢針尖具有優(yōu)良光響應(yīng)特性的原因歸咎于其原子級的尖銳邊緣、較大的電導(dǎo)率以及高的外量子效率。這種平面場發(fā)射型光電探測器件結(jié)構(gòu)很可能為解決可見光探測中高光響應(yīng)度-快速響應(yīng)時(shí)間這一相互矛盾的難題提供了一種新的實(shí)驗(yàn)路線。

該成果近期以“High-Performance Planar Field-Emission Photodetector of Monolayer Tungsten Disulfide with Microtips”為題在國際權(quán)威期刊Small上發(fā)表。中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院田顏博士為本文的第一作者，劉飛教授和佘峻聰教授為本文的共同通訊作者。中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院為第一作者單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202304233