一种基于MoS?/Au纳米粒子/WS?异质结构的光电探测器，具有较高的开/关比和较低的待机功耗

二维过渡金属硫化物异质结通过界面金纳米颗粒实现暗电流抑制与光响应优化。采用MoS?/Au NPs/WS?异质结构器件，在5V偏压下使暗电流密度降低约2270倍，光电流密度仅下降2.19倍，光暗电流比提升至5.01×10?，线性动态范围扩展至107.58 dB，同时显著降低待机功耗。

　　

杨成生|刘磊|李德生|刘长明|王娟|刘英凯|张辉

云南师范大学物理与电子信息学院，昆明650500，中国

摘要

二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）由于其独特的电子和光学特性，在光电器件方面具有巨大潜力。然而，它们通常较高的暗电流严重影响了光电检测性能。为了克服这一挑战，我们制备了II型带对齐的MoS₂/WS₂异质结构，并在其界面创新性地引入了一层金纳米颗粒（Au NPs）。所得到的MoS₂/Au NPs/WS₂异质结构显著抑制了暗电流，同时保持了良好的光电流。扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）测量证实了II型带对齐。我们发现，在黑暗条件下，与MoS₂接触的Au NPs在导带中形成了电子耗尽区，有效阻挡了载流子的传输，从而降低了暗电流。然而，在光照下，光生电子具有足够的能量克服这一障碍，使得光电流几乎不受影响。因此，在5 V偏压下，与原始的MoS₂/WS₂异质结构相比，MoS₂/Au NPs/WS₂异质结构器件的暗电流密度降低了约2.27×10³倍，而光电流密度仅降低了约2.19倍。这种显著的对比使得光电流与暗电流的比值从4.71×10¹提高到了5.01×10⁴，线性动态范围也从46.81 dB扩展到了107.58 dB。此外，暗电流的抑制直接导致在黑暗条件下的待机功耗降低了约2.27×10³倍。我们将等离子体纳米颗粒集成到TMDCs异质结构的界面中，为设计高性能、低功耗的二维光电探测器提供了一种新的有效策略。

引言

二维过渡金属硫族化合物（2D TMDCs）由于其原子级厚度、可调的带隙和强的光-物质相互作用，已成为下一代光电器件的有前景的材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，尽管实现了超小型化器件，它们固有的弱光吸收严重限制了光电检测性能，阻碍了其在光电探测器中的进一步应用[6]、[7]。为了解决这个问题，研究人员转向构建异质结构来增强基于2D材料的光电探测器的光电性能[8]、[9]、[10]。例如，Lin等人[11]创新地将Pt纳米颗粒（功函数为5.65 eV）引入到非晶Ga₂O₃/结晶CuCrO₂（Ga₂O₃/CuCrO₂）异质结的表面。Pt与非晶Ga₂O₃形成了局域化的肖特基结，从而抑制了光电探测器的暗电流。Shen等人[12]展示了一种MoS₂/Al@Al₂O₃等离子体光电探测器，具有低暗电流和高光电响应性。通过退火处理获得了最佳的Al₂O₃厚度，以防止电子注入MoS₂并避免器件暗电流的增加。Huang等人[13]制备了SnS₂/(PEA)₂PbI₄器件，其暗电流比原始SnS₂光电探测器降低了五个数量级。在典型的TMDCs半导体中，二硫化钼（MoS₂）和二硫化钨（WS₂）由于其可调的带隙、高的载流子迁移率和良好的热稳定性而显示出显著的光电检测潜力[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。因此，将MoS₂和WS₂结合形成异质结构已成为提高纯MoS₂光电探测器性能的研究焦点。例如，Wu等人[19]构建了一个异质结，并开发了一种单层MoS₂/WS₂光伏光电探测器，在532 nm激光照射下（功率密度为28.64 mW/cm²，偏压为0 V时，该器件的响应率为4.36 mA/W，特定检测率为4.36×10¹³ Jones。同样，Pargam等人[20]开发了一种混合结构，并制备了一种WS₂–MoS₂横向异质结构光电探测器，在565 nm照射下，其暗电流约为0.1 nA，峰值响应率为1850 mA/W，检测率为4.36×10¹¹ Jones。这些研究表明，异质结和混合结构异质结构都可以通过II型带对齐来提高器件性能，从而促进光生载流子的分离[19]、[20]。在异质结中，结区的载流子耗尽有助于抑制暗电流，但由于两种材料之间的重叠面积有限，与混合结构相比，光电流增益较小。为了进一步抑制混合结构的暗电流，我们在层间区域引入了Au纳米颗粒（Au NPs）。Au NPs与材料之间的界面形成的局域化肖特基耗尽区有效降低了暗电流[21]。

在这项研究中，我们首先使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助的湿法转移方法将MoS₂转移到WS₂上，制备了具有II型带对齐的MoS₂/WS₂异质结构光电探测器[22]、[23]。随后，在MoS₂/WS₂异质结构层之间引入了Au NPs，成功构建了MoS₂/Au NPs/WS₂夹层结构光电探测器。在异质结构层之间引入Au NPs后，Au NPs通过与半导体（MoS₂、WS₂）的肖特基接触形成了局域化的空间电荷区，有效抑制了器件的暗电流[21]。较低的暗电流使器件具有更高的信噪比和更好的线性动态范围。此外，暗电流的降低也意味着器件功耗的降低，从而减少了能量消耗[24]。在光照下，光生电子不会被限制在导带底部，因此这种障碍对电子传输的影响最小[21]。在615 nm的单色光照射测试中，MoS₂/WS₂和MoS₂/Au NPs/WS₂异质结构光电探测器均表现出出色的综合性能指标，优于单独的MoS₂和WS₂光电探测器。与原始的MoS₂/WS₂异质结构相比，在5 V偏压下，MoS₂/Au NPs/WS₂异质结构器件的暗电流密度降低了约2.27×10³倍，而光电流密度仅降低了约2.19倍。光电流与暗电流的比值从4.71×10¹提高到了5.01×10⁴，线性动态范围从46.81 dB扩展到了107.58 dB。这些结果明确表明，构建II型带结构并在界面进一步引入Au NPs有效提高了二维光电探测器的性能，为这类二维材料器件的针对性优化提供了可行的途径。

材料合成

MoS₂是采用低压物理气相沉积（LP-PVD）方法合成的。使用高纯度MoS₂（Macklin，99.9%）粉末作为前驱体，并将其放置在高温单区管炉的中央加热区，而SiO₂/Si基底则位于炉子的下游区域。反应前，系统压力使用机械泵抽至10^?1 Pa。随后，以60 sccm的恒定流量引入高纯度Ar气体

结果与讨论

图1(a)和(b)显示了MoS₂/WS₂和MoS₂/Au NPs/WS₂异质结构器件的光学显微镜图像和示意图。蓝色虚线区域表示MoS₂，黑色虚线区域代表WS₂，白色虚线区域表示In/Au电极。图像中观察到一些微裂纹，这可能是转移过程中不可避免的损伤[25]、[26]。然而，在

结论

为了提高单个MoS₂光电探测器的光电检测性能，本研究设计了MoS₂/WS₂和MoS₂/Au NPs/WS₂异质结构器件。首先，分别通过低压物理气相沉积和化学气相沉积制备了MoS₂和WS₂薄膜。随后，使用PMMA辅助的湿法转移成功制备了MoS₂/WS₂异质结构。进一步在异质结界面引入Au NPs作为界面修饰层，形成了MoS₂/Au

CRediT作者贡献声明

张辉：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。刘英凯：监督，资金获取。李德生：资源提供。刘磊：实验研究。王娟：验证。刘长明：验证。杨成生：撰写 – 原稿撰写，实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（62164013, 12264056）；云南省科学技术委员会重点应用基础研究计划（202501AS070001）；云南省基础研究项目（202201AU070053）；云南省专家工作站项目（202205AF150008）。