[论文解读] Self-powered Broadband Photodetector on Flexible Substrate from Visible to Near Infrared Wavelength

Hao Wang, Chaobo Dong+8 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种基于MoS2/Sb2Te3范德华p-n异质结的自供电、柔性宽带光电探测器，可在可见光至近红外波段工作。通过施加压缩应变（最高达0.3%），能调节能带结构，使光电响应度提升至0.12 A/W，同时保持亚皮安级暗电流，从而实现低功耗、高性能的可穿戴光电应用。

ABSTRACT

Van der Waals (vdWs) heterostructures assembled by stacking 2D crystal layers have proven to be a new material platform for high-performance optoelectronic applications such as thin film transistors, photodetectors, and emitters. Here, we demonstrate a novel device with strain tuning capabilities using MoS2/Sb2Te3 vdWs p-n heterojunction devices designed for photodetection in the visible to near-infrared spectrum. The heterojunction devices exhibit remarkable characteristics, such as a low dark current in the range of a few picoamperes and a high photoresponsivity of 0.12 A/W. Furthermore, the proposed devices exhibit exceptional tunability when subjected to a compressive strain of up to 0.3%. By introducing strain at the interface of the heterojunction, the materials bandgap is affected resulting in a significant change in the band structure of the heterojunction. This leads to a change in the detectors optical absorption characteristics improving the responsivity of the device. The proposed strain-induced engineering of the electronic and optical properties of the stacked 2D crystal materials allows tuning of the optoelectronic performance of vdWs devices for high-performance and low-power consumption applications for applications like wearable sensors and flexible electro-optic circuits.

研究动机与目标

• 开发一种在可见光至近红外波段具有宽带响应的柔性、自供电光电探测器。
• 通过二维范德华异质结构中的机械应变工程实现可调的光电性能。
• 实现低暗电流和高光电响应度，以满足低功耗可穿戴传感应用的需求。
• 展示应变诱导的能带结构和光学吸收在二维异质结中的调制效应。
• 实现柔性光电探测器在可穿戴和便携式光电系统中的实际集成。

提出的方法

• 采用机械剥离和转移技术，在柔性基底上制备MoS2/Sb2Te3范德华p-n异质结。
• 通过机械弯曲施加压缩应变（最高达0.3%），以调节异质结界面处的能带结构。
• 在零偏置条件下表征电学和光电性能，以确认自供电工作状态。
• 测量从可见光到近红外波段（400–1000 nm）的暗电流和光电响应度。
• 结合电子结构计算与实验数据，分析应变引起的带隙和能带结构变化。
• 在不同应变和光照条件下评估响应度和响应时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在柔性基底上利用二维范德华异质结构实现具有宽带响应的自供电光电探测器？
• RQ2 施加的压缩应变（最高达0.3%）如何影响MoS2/Sb2Te3异质结的能带结构和光电响应特性？
• RQ3 在这种应变可调的自供电器件中，可实现的光电响应度和暗电流分别是多少？
• RQ4 应变工程在多大程度上可增强二维异质结光电探测器的光学吸收和响应度？
• RQ5 该器件结构能否支持在柔性及可穿戴光电领域中的实际应用？

主要发现

• 器件表现出几皮安量级的低暗电流，表明在零偏置下热泄漏得到优异抑制。
• 在可见光至近红外波段（400–1000 nm）实现了高达0.12 A/W的光电响应度，证明了其宽带响应特性。
• 施加最高达0.3%的压缩应变可引起可测量的能带结构调制，改变异质结的电子和光学性质。
• 应变调控显著提升了响应度，证实了机械应变在性能优化中的有效性。
• 器件在应变下仍保持自供电工作，可实现低功耗，适用于可穿戴和便携式传感系统。
• 柔性基底提供了机械鲁棒性和贴合性，支持在动态和可穿戴环境中的集成。