DOI: 10.1016/j.mtnano.2021.100112
過渡族金屬硫化物 (Transition metal dichalcogenides, TMDCs)具有帶隙隨層數(shù)可調(diào)、高的載流子遷移率和良好的力學(xué)特性等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，所以在納米電子學(xué)、納米光電子學(xué)等領(lǐng)域都表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。作為一種典型的TMDCs材料，二硫化鎢(WS2)擁有高的熒光量子產(chǎn)額(~6 %)、大的激子束縛能(~0.3 eV)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，更是引起國內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。
眾所周知，單層二硫化鎢由于是直接帶隙半導(dǎo)體而具有較高的發(fā)光效率，但是其材料本征的低光吸收效率（~5%）缺點(diǎn)卻在很大程度降低了器件性能。雖然已有一些文獻(xiàn)報(bào)道利用異質(zhì)結(jié)或表面等離激元等方法來提高WS2的光吸收率，但是由于這幾種技術(shù)自身的限制，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)整片單層WS2薄膜光吸收率的均勻、顯著的增強(qiáng)，因此至今為止這還是限制其在光電探測器等領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的難題。近日，中山大學(xué)劉飛教授、鄧少芝教授等人，在期刊Materials Today Nano上發(fā)表研究論文。他們構(gòu)筑了非對(duì)稱型法布里-帕羅(F-P)共振腔WS2/SiO2/Au/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)，并分別利用時(shí)域有限差分法(FDTD)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定了最佳的SiO2層厚度和Au膜厚度，最終將單層WS2對(duì)可見光的吸收率從5 %大幅提高到了49 %。隨后為了驗(yàn)證F-P微腔的增強(qiáng)效果，他們又將 WS2/SiO2/Au/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)集成納米光電探測器件中。研究發(fā)現(xiàn)：由于使用了F-P微腔結(jié)構(gòu)，單層二硫化鎢對(duì)于633 nm可見光的響應(yīng)度從0.028 A/W大幅提高到8.3 A/W，光響應(yīng)時(shí)間從380 ms縮減到150 ms，并且外量子效率從8 %增加到2287 %，比探測率則從109瓊斯提升到1012瓊斯。 ▲圖1 (a) 單層WS2非對(duì)稱型法布里-帕羅共振腔的示意圖; (b) 單層WS2在形成光學(xué)微腔前（D1）、后（D2）的光吸收率曲線圖; (c) 光吸收率隨SiO2層厚度周期性變化曲線圖
他們利用電子束蒸發(fā)法將100 nm厚的Au膜蒸鍍?cè)赟i襯底上，然后利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法將60 nm厚的SiO2沉積在Au膜上面，最后再將單層WS2轉(zhuǎn)移到來SiO2層上方來構(gòu)筑非對(duì)稱型F-P共振微腔WS2/SiO2/Au/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)。在復(fù)合結(jié)構(gòu)中，頂端的WS2層和底端的Au層都可作為F-P微腔的反射鏡，這可以有效阻止入射光從復(fù)合結(jié)構(gòu)中逃離，而作為隔離層的SiO2膜則用來調(diào)節(jié)折射和反射光線來產(chǎn)生相長干涉，從而使得入射光局域在WS2薄層之中來極大提升其光吸收率。▲圖2 (a)~(d) FDTD計(jì)算獲得的不同厚度的SiO2層條件下單層WS2中電場強(qiáng)度模擬分布圖
有限差分法(FDTD)計(jì)算結(jié)果表明：在利用Au膜構(gòu)筑成F-P微腔之后，單層WS2的光吸收率將會(huì)隨SiO2層的厚度變化而呈現(xiàn)周期性變化，這可以利用F-P干涉儀中的相長干涉和相消干涉效應(yīng)來解釋。根據(jù)對(duì)稱型F-P微腔的干涉公式2dncosθ = mλ，其中n=1.5和d分別代表了SiO2隔離層的折射系數(shù)和厚度，θ =0 為折射角，m代表了干涉級(jí)數(shù)且為正整數(shù)，λ=633 nm為入射光的波長，可以計(jì)算得到理想對(duì)稱型的F-P微腔中產(chǎn)生相長干涉是SiO2層的厚度約為100 nm且對(duì)應(yīng)相干增強(qiáng)的厚度周期為210 nm。但考慮到WS2/SiO2/Au/Si為非對(duì)稱型F-P微腔，因此在SiO2層的厚度為60 nm時(shí)單層WS2中局域電場的強(qiáng)度就達(dá)到了最大值，即WS2層光吸收率達(dá)到最大值。與未使用Au膜時(shí)5%的吸收率相比，使用了F-P微腔結(jié)構(gòu)的單層WS2結(jié)構(gòu)對(duì)于633 nm可見光的吸收率增加了將近10倍(~49%)，這也要優(yōu)于表面等離激元(5~6倍)和異質(zhì)結(jié)(2~3倍)方法的增強(qiáng)效果。▲圖3 (a, b) 兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微像和PL mapping圖；(c, d) 其對(duì)應(yīng)的Raman和PL譜； (e, f) 非對(duì)稱型F-P微腔的工作示意圖和使用F-P前后的單層WS2中的光線傳播路徑對(duì)比
PL光譜和Raman光譜的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果同時(shí)表明：在構(gòu)筑F-P共振微腔之后，單層WS2納米結(jié)構(gòu)的光吸收率將比原來增加了4倍，這與前面的FDTD擬合結(jié)果相一致。根據(jù)非對(duì)稱型F-P共振微腔WS2/SiO2/Au/Si的復(fù)合器件結(jié)構(gòu)就可以解釋這個(gè)光吸收率的增強(qiáng)效應(yīng)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中引入了Au膜形成了F-P微腔結(jié)構(gòu)，SiO2層的厚度又選擇了最優(yōu)值(d=60 nm)，這滿足了相長干涉的條件，所以絕大部分的入射光都會(huì)在SiO2/Au界面和WS2/Air界面之間多次重復(fù)發(fā)生反射并形成干涉增強(qiáng)，這就導(dǎo)致了單層WS2結(jié)構(gòu)對(duì)于633 nm可見光的吸收達(dá)到了最大值。▲圖4 使用F-P微腔前(D1)、后(D2)單層WS2納米光探測器工作性能的對(duì)比
進(jìn)一步的光探測器件的性能測試結(jié)果表明：在633 nm的光照下，使用F-P微腔復(fù)合結(jié)構(gòu)的單層WS2光探測器件最大光電流和開關(guān)比分別增大到使用之前的50倍和20倍；與此同時(shí)，光響應(yīng)度和比探測率也分別提高到使用之前的296倍和103倍；并且器件的外量子效率也相應(yīng)增大了近300倍。這些器件性能的提升都要?dú)w咎于使用F-P微腔結(jié)構(gòu)后，單層WS2的光吸收獲得了極大的提高。研究結(jié)果揭示：F-P微腔不僅能夠均勻地、高效地提高整片單層WS2薄膜的光吸收率，而且還能大幅提高單層二硫化鎢光探測器件性能。他們的研究工作很可能為均勻、有效地提高二維納米結(jié)構(gòu)的低光吸收率提供一種理想的解決途徑。該研究成果近日以“Efficiently Enhanced the Visible-light Absorption of Monolayer WS2 by Constructing an Asymmetric Fabry-Perot Cavity”為題發(fā)表在Materials Today Nano上，論文第一作者是中山大學(xué)博士研究生田顏，通訊作者為中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院廣東省顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉飛教授和鄧少芝教授。
劉飛，中山大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”和廣東省高等學(xué)?！扒О偈瞬殴こ逃?jì)劃”入選者。2005年于中科院物理所獲得理學(xué)博士學(xué)位，同年在中山大學(xué)參加工作。2012年-2013年在日本國立物質(zhì)材料研究所（NIMS）作訪問學(xué)者。研究要從事低維無機(jī)納米材料及其光電器件研究，重點(diǎn)關(guān)注新型低維硼基和過渡金屬硫族化合物納米材料的可控制備及摻雜技術(shù)、調(diào)控它們的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)和磁學(xué)特性、探索它們的本征物理機(jī)制并開發(fā)和構(gòu)筑高性能的光電納米器件。已在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano，Nano Lett.等國際知名期刊上發(fā)表論文80余篇，同時(shí)獲得中國發(fā)明專利授權(quán)3項(xiàng)。主持國家重大科學(xué)儀器設(shè)備專項(xiàng)課題、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目等科研項(xiàng)目。研究成果先后獲得中國真空學(xué)會(huì)的“優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)”、廣東省科技協(xié)會(huì) “南粵優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文一等獎(jiǎng)”和中國電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)的“優(yōu)秀青年論文獎(jiǎng)”。
鄧少芝，中山大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。曾任國家納米重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家，國家“十一五”和“十二五”863計(jì)劃新型平板顯示技術(shù)重大項(xiàng)目總體專家組成員?，F(xiàn)任中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院院長、微電子學(xué)院院長、光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、廣東省顯示材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，兼任國際真空納電子學(xué)大會(huì)執(zhí)行理事會(huì)執(zhí)委、中國真空學(xué)會(huì)理事會(huì)副理事長、中國真空學(xué)會(huì)電子材料與器件專業(yè)委員會(huì)主任。從事微納電子光子研究，專長是高頻微納電子光子核心元器件和核心功能材料，在納米冷陰極、納米冷陰極高頻與發(fā)光器件、太赫茲波與中紅外光低維結(jié)構(gòu)探測器件等方面做出了系統(tǒng)性、創(chuàng)造性貢獻(xiàn)。發(fā)表SCI論文超過300篇，獲發(fā)明專利超過50項(xiàng)。獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲中國青年科技獎(jiǎng)。曾應(yīng)邀在國際真空納電子學(xué)大會(huì)上做Plenary Talk，曾擔(dān)任國際真空納電子學(xué)大會(huì)主席和國際薄膜晶體管會(huì)議大會(huì)主席。
