【MoS2】应变增强的单层MoS2光电探测器

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这篇文章的标题是《Strain-Enhanced Large-Area Monolayer MoS2 Photodetectors》，作者是Borna Radatovic等人，发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊的2024年第16卷。文章主要研究了应变增强的大面积单层MoS2光电探测器的性能和应用潜力。

以下是文章的研究内容：

摘要

研究展示了机械应变与单层MoS2光响应性增加之间的直接相关性。
发现拉伸应变可以提高单层MoS2光电探测器的效率。
设备的高光电流和延长的响应时间表明，设备主要由光门控机制控制，这种机制随着应变的施加变得更加明显。
证明了非封装的MoS2单层可以在应变基设备中使用多个周期，并在环境条件下长时间保持功能性，不会丧失功能。
这种稳健性强调了MoS2在进一步功能化和不同柔性传感器应用中的潜力。

1. 引言

二维(2D)材料对机械变形具有显著的韧性，与应变调节其性能相结合，为下一代应变电子学提供了重大进展。
应变在2D材料中引入晶格变形，如键长和角度的变化。
应变还改变了半导体2D材料的带隙，导致激子能量的移动或电阻的变化。
通过应用应变，MoS2单层的光电流和光响应性得到了显著提高。

2. 实验方法

使用了差分反射光谱、原子力显微镜(AFM)、光致发光(PL)映射和I-V特性测试等方法来表征MoS2单层的光学和形态特性。
通过光电流光谱学在不同波长的光照射下测量了光电流，以研究应变对MoS2光电探测器性能的影响。

2.1. 差分反射光谱(Differential Reflectance Spectroscopy)

使用的设备：Motic BA310金相显微镜，配备50倍物镜（NA = 0.55，WD = 8.2 mm）。
光源：卤素光源作为光学探针。
信号分析：通过修改的三目镜将光源分成50:50的比例，其中一半用于通过Thorlabs ccs 200/m CCD光谱仪进行信号分析，另一半用于样品成像。
目的：通过光学检查和光谱分析来确认MoS2单层的成功转移，并确定其为单层。

2.2. 原子力显微镜(AFM)

使用的设备：JPK Nanowizard Ultra Speed AFM仪器。
模式：非接触AC（轻敲）模式。
探针：Bruker TESP-V2硅探针，名义弹簧常数为37 N/m，尖端半径为7 nm，共振频率为320 kHz。
目的：在环境条件下记录AFM图像，以评估样品的形貌和表面粗糙度。

2.3. 光致发光(Photoluminescence, PL)映射

激光源：使用波长为532 nm的激光，激光功率为250 μW。
聚焦：通过50倍无穷远校正物镜（NA = 0.75）聚焦，激发样品上直径为0.68 μm的光斑。
信号收集：PL信号通过相同的显微镜物镜收集，通过布拉格滤波器过滤，通过50 μm核心光纤作为共聚焦检测针孔，并在50 cm长的光谱仪中与150 l/mm衍射光栅和冷却EM CCD探测器结合分析。
目的：获取MoS2的PL光谱图，以确认整个器件通道被MoS2覆盖，并评估激子能量分布。

2.4. I-V特性测试

电极制备：使用阴影掩模蒸发法制备电极，并通过银浆将电极连接到源测量单元(SMU)。
测量设备：Keithley 2450 SMU用于所有电输运测量。
目的：通过测量源极和漏极之间的电流，同时改变施加在电极上的偏压电压，来表征器件的电流-电压特性。

2.5. 光电流光谱学(Photocurrent Spectroscopy)

光源设置1：使用指定波长的LED灯（365, 405, 420, 455, 470, 505, 530, 565, 595, 617, 625, 660, 780, 和 850 nm）和功率为P = 1.25 μW的光斑直径为400 μm的光源。
光源设置2：使用Bentham TLS120Xe光源，可以连续设置不同波长和任意步长。
目的：通过测量不同波长光照射下的光电流来评估光电探测器的性能，特别是在激子能量范围内的响应。

这些测试方法为研究者提供了关于MoS2单层光电探测器在不同应变条件下的性能和稳定性的全面了解。通过这些详细的实验方法，研究者能够准确地评估材料的特性，并为未来的应用和改进提供了坚实的基础。

3. 结果与讨论

通过CVD生长的大规模MoS2单层片的均匀性和器件形态进行了研究。
发现通过弯曲或拉伸基底进行应变工程可以调节MoS2的电阻。
通过光电流光谱学进一步表征了应变对MoS2光电探测器性能的影响，发现应变可以增强MoS2的光响应性。
通过施加小于1%的拉伸应变，MoS2的光电流和光响应性可以提高三倍。
研究结果表明，应变可以显著提高MoS2光电探测器的性能，并且这种效应可能与晶界处的陷阱态变化有关。

4. 结论

本研究展示了大规模MoS2单层适合制造触觉和应变传感器，这些传感器在长时间内可重复操作，无需封装，证明了进一步MoS2功能化和新型应用的吸引力。
通过应变依赖的光电流光谱学，明确证明了通过施加小于1%的拉伸应变，MoS2的光响应性可以提高三倍。
尽管本研究中的器件性能低于先前的报告，但这主要是由于器件通道中的固有或转移引起的缺陷和污染所致，这些可以通过未来的工作来最小化，并随后优化器件性能。
本工作强烈支持利用大规模MoS2单层制造新型柔性和光电器件，这些器件耐用，并且通过对其2D材料基础施加应变来增强其操作性。

图 1.器件沟道中的均匀性表征

(a) 展示了MoS2单层转移到预制的PC片上，并带有一对金电极的光学显微图像。虚线红框标出了MoS2覆盖在电极上的区域。
(b) 微反射光谱图显示了MoS2单层在通道中的反射光谱，其中包括A和B激子的洛伦兹拟合以及累积拟合。
(c) A激子共振的PL图，展示了设备通道中MoS2的特性A激子能量。
(d) AFM拓扑图像显示了一个30微米×30微米的区域，没有可见裂纹。
(e) 沿着图 (d) 中的白色虚线箭头获取的通道线剖面图。

图 2. MoS2单层中的压阻效应

(a) 在高达1%的不同应变水平下进行的I-V特性测试。
(b) 电阻与循环次数的关系图，展示了20个弯曲周期中电流与电压的变化，每个周期包括21个应变从0%增加到0.6%然后回到0%的步骤。
(c) 展示了每个新半周期的GFP值，其中奇数半周期对应于通过弯曲施加应变，偶数半周期对应于释放应变至0%。
(d) 展示了20个后续弯曲周期中每个新半周期的GFP值。

图 3. 应变增强的MoS2光响应

(a) 在光照射下设备光学显微镜图像。
(b) 在不同应变水平下，645纳米光照下的MoS2光响应，光照开启45秒后关闭。
(c) 在0.0, 0.03和0.09%的拉伸应变下，使用LED光源照射的MoS2单层片的光电流光谱。
(d) 在0.0, 0.3和0.9%的拉伸应变下，使用连续光源照射的MoS2单层片的高分辨率光电流光谱。数据显示了B (604纳米) 和 A (645纳米) 激子峰的能量范围，并用两个洛伦兹拟合。

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