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特性等優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，所以在納米電子學、納米光電子學等領域都表現(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)和良好的化學穩(wěn)定性等獨特的優(yōu)點，更是引起國內(nèi)外研究者的普遍關注。
眾所周知，單層二硫化鎢由于是直接帶隙半導體而具有較高的發(fā)光效率，但是其材料本征的低光吸收效率（~5%）缺點卻在很大程度降低了器件性能。雖然已有一些文獻報道利用異質(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，無法同時實現(xiàn)對整片單層WS2薄膜光吸收率的均勻、顯著的增強，因此至今為止這還是限制其在光電探測器等領域進一步發(fā)展的難題。近日，中山大學劉飛教授、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)筑了非對稱型法布里-帕羅(F-P)共振腔WS2/SiO2/Au/Si復合結(jié)構(gòu)，并分別利用時域有限差分法(FDTD)計算和實驗確定了最佳的SiO2層厚度和Au膜厚度，最終將單層WS2對可見光的吸收率從5 %大幅提高到了49 %。隨后為了驗證F-P微腔的增強效果，他們又將 WS2/SiO2/Au/Si復合結(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)，單層二硫化鎢對于633 nm可見光的響應度從0.028 A/W大幅提高到8.3 A/W，光響應時間從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非對稱型法布里-帕羅共振腔的示意圖; (b) 單層WS2在形成光學微腔前（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膜蒸鍍在Si襯底上，然后利用等離子體增強化學氣相沉積法將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)筑非對稱型F-P共振微腔WS2/SiO2/Au/Si復合結(jié)構(gòu)。在復合結(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計算獲得的不同厚度的SiO2層條件下單層WS2中電場強度模擬分布圖
有限差分法(FDTD)計算結(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來解釋。根據(jù)對稱型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代表了干涉級數(shù)且為正整數(shù)，λ=633 nm為入射光的波長，可以計算得到理想對稱型的F-P微腔中產(chǎn)生相長干涉是SiO2層的厚度約為100 nm且對應相干增強的厚度周期為210 nm。但考慮到WS2/SiO2/Au/Si為非對稱型F-P微腔，因此在SiO2層的厚度為60 nm時單層WS2中局域電場的強度就達到了最大值，即WS2層光吸收率達到最大值。與未使用Au膜時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)方法的增強效果。▲圖3 (a, b) 兩種復合結(jié)構(gòu)的光學顯微像和PL mapping圖；(c, d) 其對應的Raman和PL譜； (e, f) 非對稱型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比
PL光譜和Raman光譜的實驗測試結(jié)果同時表明：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)非對稱型F-P共振微腔WS2/SiO2/Au/Si的復合器件結(jié)構(gòu)就可以解釋這個光吸收率的增強效應。因為實驗中引入了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在SiO2/Au界面和WS2/Air界面之間多次重復發(fā)生反射并形成干涉增強，這就導致了單層WS2結(jié)構(gòu)對于633 nm可見光的吸收達到了最大值。▲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比
進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微腔復合結(jié)構(gòu)的單層WS2光探測器件最大光電流和開關比分別增大到使用之前的50倍和20倍；與此同時，光響應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增大了近300倍。這些器件性能的提升都要歸咎于使用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博士研究生田顏，通訊作者為中山大學電子與信息工程學院廣東省顯示材料與器件重點實驗室劉飛教授和鄧少芝教授。
劉飛，中山大學教授，博士生導師，教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”和廣東省高等學校“千百十人才工程計劃”入選者。2005年于中科院物理所獲得理學博士學位，同年在中山大學參加工作。2012年-2013年在日本國立物質(zhì)材料研究所（NIMS）作訪問學者。研究要從事低維無機納米材料及其光電器件研究，重點關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、電學、力學和磁學特性、探索它們的本征物理機制并開發(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，同時獲得中國發(fā)明專利授權(quán)3項。主持國家重大科學儀器設備專項課題、國家自然科學基金面上項目和青年項目等科研項目。研究成果先后獲得中國真空學會的“優(yōu)秀博士論文獎”、廣東省科技協(xié)會 “南粵優(yōu)秀學術(shù)論文一等獎”和中國電子學會真空電子學分會的“優(yōu)秀青年論文獎”。
鄧少芝，中山大學教授、博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者。曾任國家納米重大科學研究計劃項目首席科學家，國家“十一五”和“十二五”863計劃新型平板顯示技術(shù)重大項目總體專家組成員?，F(xiàn)任中山大學電子與信息工程學院院長、微電子學院院長、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室副主任、廣東省顯示材料與技術(shù)重點實驗室主任，兼任國際真空納電子學大會執(zhí)行理事會執(zhí)委、中國真空學會理事會副理事長、中國真空學會電子材料與器件專業(yè)委員會主任。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。發(fā)表SCI論文超過300篇，獲發(fā)明專利超過50項。獲國家自然科學二等獎2項，獲中國青年科技獎。曾應邀在國際真空納電子學大會上做Plenary Talk，曾擔任國際真空納電子學大會主席和國際薄膜晶體管會議大會主席。
