近日，东南大学物理学院倪振华教授和王金兰教授课题组利用缺陷工程提升二维光电探测器件的性能，相关研究成果以“Defect Engineering for Modulating the Trap States in 2D Photoconductor”为题发表在材料学领域重要刊物Advanced Materials上。
光电探测器是一种将光转变为电信号的器件，已经成为影响日常生活和科技、国防等领域的核心技术之一，诸如视频成像、光通信、生物医学成像、传感、夜视、安保、军事侦察等等。半导体材料中的缺陷态可以作为束缚中心(Trapping center)有效延长载流子寿命，引入光电导增益，从而大幅提高光电探测器的灵敏度。但是，束缚中心，特别是深能级束缚态(Deep trap)的引入，也同时会带来器件响应时间的急剧增加。这主要来源于载流子脱离缺陷态的束缚所额外需要的时间，取决于缺陷态能级的深浅（图一）。如何通过缺陷态以及束缚中心的控制，在保证器件高灵敏度的同时获得快速响应，是该领域一直以来所面临的难题。相比于传统半导体材料，二维材料的能带结构可以通过表面和缺陷工程进行更加有效的调控，为上述难题的解决提供了理想的研究对象。
图一。n型半导体中光生载流子的激发、复合和束缚过程（含深能级和浅能级束缚态）(a)，以及这些过程所对应的器件响应时间示意图（b）。
二维材料中包含种类丰富的缺陷，并对其电学、光学、磁学、机械等性能产生重要影响。2018年初，倪振华教授与新加坡国立大学陈伟教授课题组合作，在Chemical Society Reviews上发表了题为 “Two-dimensional transition metal dichalcogenides: interface and defect engineering”的综述论文，详细分析了缺陷和界面态对二维硫属化合物电学和光电性能的影响，以及如何通过缺陷和界面工程调控二维电子/光电子器件的性能。
在本工作中，倪振华教授和王金兰教授课题组分别从实验和计算模拟入手，以二硫化铼（ReS2）为例，提出利用缺陷工程控制二维光电导器件中载流子的束缚态。研究结果显示，原卟啉（H2PP）分子中的氧原子会在ReS2的硫空位处与周围的铼原子成键，并起到调控能带结构和缺陷能级的作用。相对于原始样品中深能级束缚态所主导的光电响应，改性后器件的光响应由浅能级束缚态以及复合中心所主导，响应速度提高了3-4个量级（图二）。此外，H2PP分子与ReS2之间存在较强的电荷转移，可以抽取ReS2中的富余电子，进而大幅降低器件的暗电流和噪声，使得改性后器件的光探测率达到了1.89x10^13 Jones。本工作提供了一种通过缺陷工程调控半导体中光致载流子束缚态的研究思路，有利于同时实现光探测器中高灵敏度和快速响应这两个关键指标。
图二。H2PP分子改性前/后的ReS2光探测器的响应时间曲线。
本文第一作者为东南大学物理学院博士生蒋杰和凌崇益，倪振华教授和王金兰教授为共同通讯作者。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
Advanced Materials DOI:10.1002/adma.201804332 (2018):
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804332
Chemical Society Reviews 47, 3100 (2018):