AM:一分為二,馭光而為——基於局部化學改性的高性能p-n結光電探測器

光電探測器作為光電信號轉換的關鍵器件在光通訊、生物檢測、航天航空等領域具有巨大應用潛力，得到科學研究與工業領域的廣泛關注。其中，對低功耗、小尺寸和柔韌可穿戴的新一代光電探測器的需求推動了新型光電材料的迅猛發展。過渡金屬硫屬化合物(TMDs)，如二烯化鎢(WSe2)，具備的可彎曲、高透明性、高強度等特性為開發新型光電探測器提供了材料基礎。近年來，研究者們致力於尋找一種能高效實現光生載流子快速分離來滿足光電探測器應用的基於TMDs 的p-n結。運用範德瓦爾斯力使獨立的p型和n型材料縱向堆疊是一種典型的p-n結構造方法，但這種器件製備過程複雜且很難避免界面缺陷。由此，在同一導電通道內實現獨立的p型和n型工作區域，從而構造橫向均質p-n結亟待研究突破。

北京航空航天大學物理學院張俊英教授、王鈺言助理教授團隊首次採用一種新穎可控的電子摻雜方式，構造了具有優異光電性能的高質量分子內p-n結。結合理論計算和實驗研究表明，利用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）可以實現二維TMDs器件的導電載流子類型和濃度的高效調控。通過對WSe2溝道材料的局部電子摻雜，成功製備出了整流比為103的p-n結光電探測器。與本徵光電探測器相比，p-n結的開關比提升了1000倍，響應速度也得到了3倍的提升。此種光電探測器的性能指標優異，響應度為30 A W 1，外部量子效率高達7989%，比探測度優於1011Jones，在高靈敏度、低功耗光電探測器的應用領域有著巨大前景。這種全新的摻雜方式具有良好的可控性和穩定性。基於理論和實驗研究，本工作揭示了其獨特的電荷傳遞機制，即金屬/半導體界面處的熱發射和隧穿效應協同作用使電子更有效地轉移到二維半導體表面。

馭光而為，將會奏出光與材料樂章中最美妙的音符。研究者相信，本工作中對二維材料進行原位化學改性的操控方法，可以推廣到其他新一代高效率光電子器件中。相關論文「Lateral 2D WSe2p–n Homojunction Formed by Efficient Charge-Carrier-Type Modulation for High-Performance Optoelectronics」在線發表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201906499)上，並被選為當期Frontispiece。論文第一作者為北京航空航天大學物理學院的博士研究生孫嘉成，通訊作者為王鈺言助理教授和張俊英教授。相關研究得到國家自然科學基金和天津國家超算中心的支持。合作單位包括清華大學、中科院納米能源所和中科院物理所。