据麦姆斯咨询报道，近日，上海交通大学的科研团队基于由金属性NbSe₂和半导体性MoS₂组成的二维范德华(vdWs)异质结制备了栅极调制的自供电光电探测器。由于采用NbSe₂/MoS₂范德华异质结，器件在405~980 nm零偏置光照下的最大响应率为455.3 mA/W，探测率为1.9×10¹² Jones，上升/衰减时间为17/18 μs，光谱灵敏度高。此外，在栅极电压为40 V时，该器件的响应率和探测率约为-40 V时的7倍。这项研究证明了将二维金属性NbSe₂集成到范德华异质结高性能宽带光电探测器用于近红外成像和通信的巨大潜力。这项研究以“Realizing Ultrafast Respond Speed and High Detectivity for Gate-Modulated Self-Powered Photodetector with NbSe2/MoS2 van der Waals Heterostructure”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。
研究人员通过将NbSe₂和MoS₂垂直堆叠在300 nm SiO₂/Si衬底上，构建了二维NbSe₂/MoS₂范德华异质结。图1展示了NbSe₂/MoS₂异质结器件的表征。接着，研究人员在黑暗和明亮条件下测试了NbSe₂/MoS₂异质结器件的响应特性，相关结果如图2所示。结果显示，NbSe₂/MoS₂异质结光电探测器具有从可见光到近红外波段的广谱响应能力。
图1 NbSe₂/MoS₂异质结器件的表征
图2 NbSe₂/MoS₂器件的光电探测性能
此外，研究人员还通过施加栅极电压来调制NbSe₂/MoS₂器件的光伏特性，相关结果如图3所示。同时，研究人探究并对比了NbSe₂/MoS₂器件的相噪声功率密度与频率关系、响应时间以及稳定性等，相关结果如图4所示。
图3 施加栅极电压调制NbSe₂/MoS₂器件的光伏特性
图4 NbSe₂/MoS₂器件的的归一化光电流函数、噪声功率密度与频率关系、响应时间和稳定性
为了解NbSe₂/MoS₂器件的光响应机制，研究人员深入探究了Au电极和NbSe₂之间、NbSe₂和MoS₂之间的电位差异及能带图，相关结果如图5所示。结果显示，MoS₂和Au之间形成肖特基结，光电流主要出现在MoS₂与电极接触的一侧。最后，为探索NbSe₂/MoS₂异质结光电探测器在成像中的实际应用潜力，研究人员进一步研究了其在可见光下的成像能力。
图5 NbSe₂/MoS₂器件的光响应机制
图6 NbSe₂/MoS₂器件的成像应用
综上所述，这项研究成果制备了NbSe₂/MoS₂范德华异质结构，该器件具有出色的光探测性能和栅极电压可调性，通过实验验证了该器件的成像能力。这项研究重点介绍了NbSe₂等二维金属材料在光电子领域的潜在应用。基于二维范德华异质结的高性能、栅极可调谐、自供电光电探测器在未来的光电器件中显示出巨大的前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.5c03415
