基于零維硫化鉛量子點與二維二硒化鎢納米片協同效應的高性能寬光譜光電場效應晶體管

近年來，伴隨石墨烯研究發展而來的二維過渡金屬硫屬化合物（TMD）因其天然的半導體性，原子級的材料維度、超高的載流子傳輸能力等物理屬性而成為當前光電子領域的研究熱點。基于TMD的各類新穎器件被廣泛地應用于電子、光電、傳感等領域。作為一類典型的p型二維材料，巨納集團低維材料在線91cailiao.cn提供的二硒化鎢擁有達到350cm?1V?1s?1的高遷移率以及1.6 eV的合適帶隙，是制備高靈敏光電探測器的理想材料。最近，基于二硒化鎢納米片的光電探測器被廣泛報道，然而由于其較弱的光吸收和較窄的光譜響應范圍，導致其光響應率不理想（0.02–7 AW–1），嚴重限制了其在微弱光電信號探測領域的應用。另一方面，低成本硫化鉛量子點由于其極強的光吸收能力、溶液加工特性和可調的光響應特性被認為是柔性光電器件的明星候選材料，其被廣泛地應用于近紅外探測、光伏和光譜分析。美中不足的是硫化鉛量子點光電探測器的響應率被其本身的低載流子遷移率所限制，阻礙了其在光電探測領域的廣泛應用。
基于以上兩類器件的長期研究和積累，結合當前零維-二維雜化器件的研究現狀，華中科技大學武漢光電國家實驗室（籌）宋海勝和唐江教授研究團隊巧妙利用了二硒化鎢和硫化鉛量子點優越互補特性設計和實現了零維-二維協同工作的高性能光電探測器。這種構建策略將量子點的光吸收特性與二維材料的高遷移率相結合，構建了零維-二維器件結構與type-II的能帶結構，器件表現出超高的光響應度，達到了2×105 A/W，比單立材料制成的對應器件響應率高出了4個數量級。高響應率產生機制被證實來源于光致柵控效應。硫化鉛量子點能夠高效吸收入射光子，并將光生空穴注入到二硒化鎢導電溝道，而光生電子被俘獲在硫化鉛量子點層，延長了光生載流子壽命，從而對二硒化鎢起到光電導調控作用；同時，由于二硒化鎢的高遷移率，大大減少了光生載流子在導電溝道的渡越時間，提高了器件的增益。與已報道的類似（零維-二維）結構的器件相比，該器件表現出更低的暗電流與更高的開關比；在整個柵控電壓范圍內，不論是開態還是關態，該器件都可正常工作。研制的零維-二維雜化器件在表現出高響應度的同時也擁有高的比探測率（7×1013 Jones）和快速的響應速度（7 ms）；由于量子點的光敏特性，其光譜響應范圍也相應拓寬到近紅外范圍，實現紫外到近紅外的寬光譜探測。以上系列核心優勢使其在光電探測領域有著巨大的應用前景。該項研究不僅為高性能光電探測器的研制提供了新思路，也為光電探測領域豐富了材料的選擇性，拓寬了器件的應用范圍。

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