MoS2/ZnO异质结及其在光电探测器中的研究进展

以MoS₂为代表的过渡金属硫族化合物(TMDCs)由于独特的电子结构、优异的半导体特性、可调节的带隙(1.3～1.8eV)、高迁移率和强光-物质相互作用成为发展下一代高性能光电器件的理想候选材料。然而二维材料独特的层间范德华间隙，使得扩散、注入等传统半导体的掺杂手段无法实现均匀稳定的掺杂，进而无法有效调控其相关电子器件的性能。传统的基于三维半导体的p-n结是现代电子器件的基本组成部分，将二维层状MoS₂集成到传统的半导体材料上成了提升器件性能和探索新功能的策略之一。宽禁带半导体ZnO以其优越的光电性能已广泛应用于高效率短波长探测、发光和激光器件以及智能设备上。近年来，MoS₂和ZnO组成异质结结构的研究成了热点，诸多研究报道MoS₂与ZnO组成的异质结结构可以提高光电探测器的光响应率、光谱范围和光响应速度等，展示了良好的性能。本文综述了MoS₂/ZnO异质结结构的多种制备方法，异质结特性和界面物理机制以及在光电探测器中的研究进展。     

溶液法制备AgBi2I7薄膜及其光电探测性能研究

AgBi₂I₇薄膜具有良好的光电特性和环境稳定性,是构筑异质结紫外光电探测器的有力候选材料之一。本研究采用溶液法制备AgBi₂I₇薄膜,通过优化前驱体溶液的浓度和溶剂类型(正丁胺和二甲基亚砜)等工艺参数,研究了其光电探测性能。采用最优方案在宽带隙的GaN上制备AgBi₂I₇薄膜,构建AgBi₂I₇/GaN异质结。该异质结对UVA射线具有良好的选择性探测(探测半峰宽约30nm)。在3V偏压和350nm紫外光照射下,器件开关比超过5个数量级,达到27.51 A/W的高响应度和1.53×10¹⁴ Jones的高探测率。研究表明溶液法制备的AgBi₂I₇薄膜有望应用于构建高性能的异质结紫外光电探测器。     

设计并构建Ⅰ型SnSe2/ZnS异质结构提升其光电化学探测及水分解性能(英文)

二维范德瓦尔斯异质结构广泛应用于光电化学(PEC)型光电探测器、水分解和太阳能电池等光电器件中.其中,Ⅰ型异质结构对于设计新型光电器件至关重要,然而其能带排列对光电响应的影响尚不清楚.本文利用两步物理气相沉积法构建了Ⅰ型SnSe₂/ZnS异质结构,并通过紫外光电子能谱和X射线光电子能谱进行了验证.基于Ⅰ型SnSe₂/ZnS异质结构的光电化学探测器在紫外可见范围内具有良好的光响应、高稳定性和高灵敏度.SnSe₂/ZnS的光响应可达172.60μA W^-1,分别是单一ZnS和SnSe₂样品的7.4和2.0倍.并且,SnSe₂/ZnS异质结构具有较高的光电催化分解水活性,在2 h内总产氢量可达81.25μmol cm^-2.SnSe₂/ZnS异质结优异的光电探测和水分解性能主要源于其更高的光利用率和高效电荷传输的协同作用.本工作为通过构建Ⅰ型异质结构来提高光电响应并设计高性能光电探测器和水分解等光电器件提供了一种新方法.     

SnS2-Ag/g-C3N4三相复合材料的合成及其光催化性能

为解决单相光催化材料结构和性能上的缺陷,通过二次煅烧法获得二维石墨相氮化碳g-C₃N₄,通过光沉积法获得Ag/g-C₃N₄,选择SnS₂与Ag/g-C₃N₄通过简单的超声和蒸发溶剂的方法制备了三相复合材料SnS₂-Ag/g-C₃N₄,成功构建了n-n型异质结,并对材料的微观形貌、相结构、光响应能力和孔隙结构等进行了详尽表征。结果表明：材料依然保留了片层状结构并构建了浪花状形貌,各相结晶度较高且界面构建良好,形成了类似三明治结构的2D-0D-2D形貌,复合材料较单相材料具有更高的比表面积和更强的可见光响应性能。当SnS₂的含量为10wt%时,所合成SnS₂-Ag/g-C₃N₄复合材料对罗丹明B的光催化降解效率达到最高的95.6%,降解速率最快且为g-C₃N     

尺寸效应对MoS2/WSe2范德华异质结构层间与俄歇复合的界面调控

为探索界面工程对二维材料范德华异质结构中载流子复合率的影响, 本工作基于界面键弛豫理论和费米黄金定则, 建立了范德华异质结俄歇和层间复合率与各结构组元尺寸之间的理论模型。结果表明, MoS₂/WSe₂异质结的俄歇复合寿命随着组元尺寸的增大而增加, 且异质结的俄歇复合率远小于相应的单组元体系。在MoS₂/WSe₂双层异质结中引入薄h-BN插层后, 体系的层间复合率和俄歇复合率随h-BN厚度的增加而分别呈现减小和增大的趋势; 在组元处于单层MoS₂和WSe₂情况下, 当界面插层h-BN厚度达到9.1 nm时, 俄歇复合率将趋于5.3 ns ^-1。该研究结果为二维过渡金属硫族化合物基异质结光电器件的优化设计提供了一种理论依据。     

基于全溶液法制备的SnO2/1D-CsAg2I3异质结的高灵敏自驱动可见光盲紫外探测器(英文)

低维非铅金属卤化物材料因其优异的光电特性在可见光盲紫外探测领域具有很大的潜力.本文通过吡啶添加剂辅助一步溶液法成功制备了高质量类钙钛矿CsAg₂I₃薄膜,该薄膜展示出p型及202 meV低激子结合能(E_b).其E_b甚至和2D铅卤钙钛矿相当,有利于光生载流子分离.此外,探索了基于type-Ⅱ型n-p异质结SnO₂/CsAg₂I₃的自驱动紫外探测器,其中4.13 eV宽带隙、0.214 eV低Urbach能量的SnO₂的引入抑制了持续光电导效应.所制备的探测器件具有高灵敏特性及在可见光盲紫外探测器中超快的响应时间(47/74μs),大致快于当前CsAg₂I₃探测器数值的两个数量级.其响应度和探测率分别高达0.032 A W^-1和1.2×10¹¹Jones.此外,异质结>90%高可见光透光性展现出优越的可见光盲特性.这种优异的...     

Ta2NiSe5/GaN范德华异质结用于具有超高响应性和耐恶劣环境的紫外光电探测器(英文)

氮化镓由于其直接带隙、固有的紫外吸收和高击穿电压引起了人们对其在紫外光电探测领域的极大研究兴趣.在本工作中,我们成功地将新型三元硫族化合物Ta₂NiSe₅与非故意掺杂的GaN堆叠,形成了具有典型I型能带排列的混合维度的Ta₂NiSe₅/GaN (2D/3D)范德瓦尔斯异质结构.该异质结构表现出优异的紫外探测性能(光开关比为10⁷,响应度为1.22×10⁴A W^-1).此外,在365 nm的光照和4 V的偏压下,探测度提高至1.3×10¹⁶Jones,并表现出1.22/31.6 ms的快速响应速率.值得注意的是,该器件还具有优异的稳定性、可重复性和抗恶劣环境条件(包括高温和酸性条件)的耐受性.得益于光电探测器的高响应度、探测度和光开关比,我们成功地将该异质结构器件集成到紫外光通信中,证明了Ta₂NiSe₅/GaN光电探测器在信息传输中有着优异的应用前景.     

混合维度WS2/WSe2/Si单极势垒异质结构用于高性能光电探测(英文)

单极势垒异质结构可以选择性地降低暗电流,但不影响光电流,是一种构建高性能光电探测器的有效策略.特别地,具有可调谐能带结构和自钝化表面的二维(2D)材料不仅能满足能带匹配要求,而且避免了界面缺陷和晶格失配,有助于设计单极势垒异质结构.这里,我们展示了一种混合维度WS₂/WSe₂/p-Si单极势垒异质结光电探测器.其中,2D WS₂充当光子吸收体,原子级厚度的WSe₂充当单极势垒,3D p-Si充当光生载流子收集器.插入的WSe₂不仅减轻了有害的衬底效应,而且形成了高导带势垒,可以过滤掉若干暗电流分量,同时不影响光电流.在隧穿效应和载流子倍增效应的驱动下,该WS₂/WSe₂/p-Si器件表现出高于10⁵的高开/关比、2.39×10¹² Jones的高探测度和8.47/7.98毫秒的快速上升/衰减时间.这些优点显著优于传统的WS₂/p-Si器件,为设计高性能的光电器件开辟了一...     

碳纳米管包覆的MoS2锂电负极材料制备及其性能研究

二硫化钼(MoS₂)作为一种出色的二维层状材料,是锂离子电池负极的理想候选材料。然而,由于MoS₂二维层状结构的堆叠性、充放电过程中的体积膨胀以及自身的低电导率等问题,限制了其在锂离子电池中的发展。文章将MoS₂与有机碳源葡萄糖复合,合成出了MoS₂@C的复合材料,实验表明,不同含量葡萄糖碳化后形成的碳纳米管对水热生长存在MoS₂明显的影响,通过调控葡萄糖的含量合成出在碳纳米管内层生长的MoS₂@C复合材料,其具有较高的比容量,以及更好的结构稳定性,在充放电过程中的比容量衰减更小。其作为锂离子电池负极材料时,在0.2 Ag^-1的电流密度下循环100次后保持680.7 mAhg-1的比容量;在1 Ag^-1的电流密度下,循环1000次后仍可保持580.9 mAhg^-1的可逆比容量。同时,分析了MoS₂@C在水热过程中的硫化反应进程,为合理制备MoS₂与...     

MoS2基复合材料在光催化领域的应用进展

二硫化钼(MoS₂)的带隙很窄，易于被激发，是水分解、二氧化碳还原以及氮还原光催化剂的理想材料，但是对光利用的局限性，较差的稳定性和较高的光激发电子-空穴复合率也限制了MoS₂在光催化领域的发展，因此可以将MoS₂与其他半导体结合构建异质结来提高其光催化效率。对MoS₂复合材料在光催化领域的应用研究进展进行了综述。     

宽禁带半导体Ga2O3基日盲紫外探测器的研究进展

β-Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体材料，对应太阳光谱的深紫外波段，可用于制备日盲紫外探测器。日盲紫外探测器抗干扰能力强、探测灵敏度高、背景噪声低，在军事和航空航天领域具有极大的应用前景。本文主要介绍Ga₂O₃材料的基本性质，包括不同的晶相结构及其制备方法，并总结不同结构的Ga₂O₃器件在日盲紫外探测领域的研究进展。其中，金属-半导体-金属(MSM)结构的Ga₂O₃器件最为普遍，特别是基于薄膜材料的器件已具备了商业化参数，有望实现产业化应用。基于Ga₂O₃的异质结和肖特基结日盲紫外探测器也表现出优异的性能，并呈现出自供电特性。此外，薄膜晶体管结构Ga₂O₃器件结合MSM结构和晶体管结构的工作机制，可获得更大的光增益，适用于微弱信号的探测，成为一种极具潜力的日盲紫外探测器件。     

MoS2/g-C3N4 S型异质结的构建及光催化性能研究

制备高效稳定的光催化剂对于光催化技术的发展至关重要。本研究采用超声辅助沉积加低温煅烧的方法制备了2H相MoS₂/g-C₃N₄ S型异质结光催化剂(MGCD),并综合考察了材料的相结构、微观形貌、光吸收性能、X射线光电子能谱、电化学交流阻抗和光电流等对光催化性能的影响。结果表明:经过超声辅助沉积-煅烧处理,MoS₂微米球发生破碎分散结合在g-C₃N₄纳米片层表面上并形成异质结。可见光下5%MGCD(添加5%MoS₂)对罗丹明B(RhB)在20 min时的降解率达到了99%,且样品重复使用5次后对Rh B的降解率仍能达到95.2%,表现出良好的光催化性能及稳定性。从内建电场形成的角度进一步分析表明,异质结中MoS₂与g-C₃N₄间耦合形成的内建电场引起的能带弯曲可以有效引导载流子的定向迁移,并促进光生载流子的分离,从而提高了光催化反应效率。异质结光催化剂的自由基捕获实验表明...     

基于二维钙钛矿(PEA)2PbI4的光电探测器

二维(2D)钙钛矿以其固有的量子阱结构、较大的激子结合能和良好的稳定性,在光电应用领域中具有广阔的前景。然而,提高二维钙钛矿薄膜质量、降低成本并简化制备工艺仍然面临巨大的挑战。本工作在低退火温度(80℃)且无需其他特殊处理的条件下,采用溶液法制备高质量二维钙钛矿(PEA)₂PbI₄薄膜,并进一步制备了光电探测器。结果表明,这种光电探测器有较低的暗电流(10^–11 A),在450 nm光照下具有良好的响应度(107 mA·W^–1)、较高的探测率(2.05×10¹² Jones)和快速响应时间(250μs/330μs)。持续控制光照1200 s后,器件可以保持95%的光电流。此外,器件静置30 d后光电流几乎保持不变。本研究为开发稳定和高性能光电器件提供了良好的途径。     

CeO2-MoS2纳米异质结的构建及其光电性能的研究

以硝酸铈铵为铈源，硫代钼酸铵为硫源和钼源，通过水热法制备CeO₂纳米颗粒，再利用水热法合成了具有丰富氧空位的CeO₂-MoS₂纳米复合材料。通过TEM、XRD和Raman等表征方法，检测出CeO₂纳米颗粒成功负载于MoS₂纳米片上，且形成异质结结构。光电性能测试结果显示，CeO₂-MoS₂具有良好的光电稳定性；两种材料的复合与异质结的形成能有效抑制光生电子-空穴的复合，提高光电性能。对不同种类活性氧的测试表明，与nCeO₂和nMoS₂相比，CeO₂-MoS₂在三种光源(紫外、可见、近红外光)照射下均产生了单线态氧、过氧化氢和超氧阴离子。本研究可为CeO₂-MoS₂在光催化和抗菌等领域的应用提供参考。     

高纵横比单层MoS2纳米-微米带的可控合成及其在高性能光电晶体管中的应用(英文)

本文报道了一种快速、可控合成单层MoS₂纳米-微米带的方法:通过在蓝宝石衬底上旋涂Na₂MoO₄和NaOH的混合溶液后一步化学气相沉积硫化的方式进行生长.其中,通过改变NaOH的浓度,对气-液-固生长过程中的反应物液滴流动性进行调控,我们实现了对所获得的MoS₂的形貌和取向的调控;同时,通过改变生长时间,可以实现对MoS₂层数的调控.利用这种方法,我们获得了最窄宽度仅为200 nm,纵横比超过100的单层MoS₂纳米-微米带,且表征证明其具有很高的晶体质量.同时,我们还用该MoS₂纳米带作为沟道材料,制备了光电晶体管,测试表明其具有高达9×10⁵的电流开/关比、超过10⁵的光暗电流比以及高达8.6 A W^-1的响应度,展现了其在电子和光电子器件中的应用潜力.     

由原子薄横向异质结构建的可调谐肖特基二极管（英文）

本研究利用一步化学气相沉积技术制备了Sn_xMo_1-xS₂/MoS₂横向异质结高性能二极管.通过选择性掺杂Sn原子到单层MoS₂的边缘,形成了与MoS₂相同晶格常数的Sn_xMo_1-xS₂.在边缘的Sn_xMo_1-xS₂和内部的MoS₂上分别沉积铬/金电极,形成肖特基势垒,其中势垒高度不同导致载流子仅在一个方向上传输.通过控制掺杂浓度和栅极电压,可实现MoS₂和Sn_xMo_1-xS₂之间费米能级的对齐调节,实现了可调整的整流比,最高达到10⁴.令人印象深刻的是,该二极管还表现出优异的光伏特性,该器件在λ=400 nm处实现了40%的外量子效率值.此外,我们在无外部偏压条件下实现了自供电光电探测,该异质结二...     

ZnO纳米棒/ZnCo2O4纳米片异质结的制备及其光电探测性能

ZnO纳米材料异质结是构筑高性能紫外光电探测器的有力候选之一。本工作中, 设计并制备了一种新型ZnO纳米棒/ZnCo₂O₄纳米片异质结, 研究了其电学性能及光电探测性能。使用油水界面自组装, 将ZnCo₂O₄纳米片在ITO玻璃上组装为均匀的薄膜; 通过调控ZnO种子层厚度, 在ZnCo₂O₄纳米片薄膜上水热生长了取向一致、密度适中的ZnO纳米棒阵列, 获得了高质量的ZnO纳米棒/ZnCo₂O₄纳米片异质结。该异质结具有优良的整流特性, 整流比达到673.7; 其工作在反偏状态时, 光暗电流比超过2个量级, 紫外-可见判别比为29.4, 在光电探测中有良好的波长选择特性。研究表明, 该异质结有潜力应用于构筑高性能紫外光电探测器。     

电化学沉积制备Bi2Se3薄膜及其光电性能研究

作为量子物质的奇异态，拓扑绝缘体在新一代电子和光电子器件领域得到了广泛应用。因其金属表面态共存和较窄的带隙(0.3 eV),导致Bi₂Se₃具有超快电荷传输能力和红外光吸收能力，使其成为新体制光电器件的研究热点。采用恒电位沉积法在酸性电解质溶液中ITO基底上进行电化学沉积Bi₂Se₃薄膜，通过控制变量法确定Bi₂Se₃薄膜的生长条件是溶液pH值为0.2～0.8、沉积电位-0.15 V vs. Ag/AgCl和沉积时间1 h;同时，采用场发射透射电子显微镜、X射线衍射仪等表征技术对Bi₂Se₃薄膜的结构与形貌进行了研究。最后，研究了基于Bi₂Se₃薄膜光电探测器的性能，并考察了退火工艺对其光响应特性影响规律，测试结果表明退火后Bi₂Se₃薄膜在近红外波段具有良好的光电性能，响应度和比探测率分别约为6.3×10^-5     

超薄金属性MoO2纳米片可控合成及其范德华接触应用研究(英文)

在二维半导体与金属材料间引入范德华接触构建器件被认为是解决二维材料电接触问题的有效途径之一.然而,迄今为止,研究主要集中在半导体材料合成与改性上,而对金属材料的制备和性能的研究较少.在这项工作中,我们报道了利用化学气相沉积法可控合成厚度从3.5到106 nm的层状MoO₂金属二维纳米片.利用X射线衍射、扫描隧道显微镜和透射电子显微镜对制备的MoO₂纳米片进行了系统表征,结果表明,制备的MoO₂为单斜晶型、晶质质量高、稳定性好.电学表征表明, MoO₂具有优良的导电性能,其导电率超过10⁶S m^-1,可与石墨烯和某些金属相媲美.此外,我们还通过引入MoO₂薄片作为范德华接触材料,探索了其在MoS₂场效应晶体管中的接触应用.所获得的MoS₂场效应晶体管表现出低肖特基势垒(3 6 m e V)和高载流子迁移率(210 cm²V^-1s^-1     

WS2/g-C3N4异质结光催化分解水制氢性能及机制

通过溶剂蒸发和二次高温煅烧石墨相碳化氮(g-C₃N₄)纳米片和WS₂纳米片混合物构建WS₂/g-C₃N₄异质结,该异质结保留g-C₃N₄和WS₂主体结构的同时,在界面处形成化学键,确保该异质结的化学稳定性和热稳定性。光催化分解水制氢实验表明,WS₂纳米片含量为3wt%时光催化制氢速率高达68.62 μmol/h,分别是g-C₃N₄纳米片和WS₂纳米片的2.53倍和15.29倍,表明异质结的构建可大幅提升g-C₃N₄的光催化性能,循环实验表明该异质结在5次循环实验后光催化性能没有明显下降,表明该异质结的稳定性较好。光电性能测试表明异质结的构建不仅提高激发电子的转移效率,同时抑制激发电子空穴的复合率,大幅提升激发电子的利用效率,致使光催化分解水制氢速率较g-C₃N₄纳米片和WS₂纳米片大幅提升。