ACS AMI┃基于二维铟掺杂二硫化锡的光电探测器

英文原题：Enhanced Photodetection Performance of Photodetectors Based on Indium-Doped Tin Disulfide Few Layers

通讯作者：范超, 河北工业大学

作者：Chao Fan, Zhe Liu, Shuo Yuan, Xiancheng Meng, Xia An, Yongkai Jing, Chun Sun, Yonghui Zhang, Zihui Zhang, Mengjun Wang, Hongxing Zheng, and Erping Li

二维的二硫化锡（SnS₂）的光电探测器具有响应时间快、响应度高、稳定性好等特性，在高性能、低功耗光电探测器方面应用有很大的应用潜力。然而，二硫化锡的光电探测器仍然面临着巨大的挑战，要进行大面积、成熟的商业应用还需进一步提高二硫化锡的光探测性能。

近日，河北工业大学范超、王蒙军、郑宏兴团队在ACS Applied Materials & Interfaces 发表论文，报道了一种通过铟掺杂增强二维二硫化锡光探测器的光探测性能的方法。通过化学气相传输法合成不同铟掺杂浓度的SnS₂单晶，利用机械剥离法剥离出了铟掺杂二硫化锡（In-SnS₂）薄层。如图1所示，用化学气相传输法生长的In-SnS₂单晶形貌为明亮的金黄色，剥离出的薄层样品没有气泡、没有褶皱及余胶，表面光滑、平坦。

图1.（a）SnS₂单晶；（b）二维SnS₂和In-SnS₂的AFM图像，插图为其OM图像。

如图2所示，通过光刻图形转移技术制备了光电探测器，并测试了光探测性能。在405 nm光源的照射下，光电探测器随着In掺杂浓度的增加，在不同功率密度光照下的电流差异越来越明显，光电探测器的光响应更强烈，并且响应稳定且可重复性。

图2.（a）In-SnS₂光电探测器的结构图；（b）SnS₂光电探测器的I-V曲线；（c-e）0.9 %，1.4 %，1.9 % In-SnS₂光电探测器的I-V曲线；（f）SnS₂光电探测器的I-T曲线；（g-i）0.9 %，1.4 %，1.9 % In-SnS₂光电探测器的I-T曲线。

如表1和图3所示，通过对光电探测器的性能进行分析比较，发现铟掺杂二硫化锡相比纯的二硫化锡表现出更好的光探测性能，其性能可以媲美甚至超过其他报道的一些其他二维材料的光探测器。随着铟掺杂浓度的增加，响应度（R）、外量子效率（EQE）和归一化探测度（D*）的值均增加了2个数量级。综合考虑R、EQE、D*和响应时间，基于1.4 % In-SnS₂光电探测器表现出最佳的光探测性能，R为153.8 A/W，EQE为4.72 × 10⁴ %，D*为5.81 × 10¹² Jones，响应时间为13 ms。这些结果表明，适量的铟掺杂对二维SnS₂光电探测器的光探测性能有积极的影响，增强了响应度、外部量子效率和归一化探测度。然而，In掺杂对光响应速度有相反的影响，即随着掺杂浓度的增加响应时间有所增加。

表1. 光电探测器的性能比较

图3.（a）SnS₂和In-SnS₂光电探测器的I-T曲线；（b）光响应度和探测度与掺杂浓度的关系，插图为外部量子效率与In掺杂浓度的变化关系；（c）光电流和光功率密度的关系；（d）光电探测器上升和下降时间。

对铟掺杂增强二硫化锡光探测性能进行分析，首先发现铟掺杂增强了二硫化锡载流子迁移率，如图4所示。其次铟掺杂引起的杂质能级增加了载流子密度，提高了光生电子-空穴对的产生率。最后在光生载流子产生-复合的过程中，铟掺杂一定程度上抑制了光生电子-空穴对的复合，延长了光生载流子的寿命。由于这三个方面因素的综合影响，使得铟掺杂提高了二硫化锡的光探测性能。

图4.（a）SnS₂在光照下的能带示意图；（b）In-SnS₂在光照下的能带示意图；（c）迁移率和掺杂浓度的关系；（d）DFT计算能带结构及In-SnS₂的PDOS。

这项工作创新性地提出了一种提高二维SnS₂光探测性能的方法，适量地进行铟掺杂，对载流子迁移率、载流子密度、光生载流子产生-复合过程产生影响，实现二硫化锡光探测器的响应度、外部量子效率和归一化探测度的大幅地提高。

该研究进展发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，该论文第一作者和通讯作者为范超副教授。该项工作得到国家自然科学基金（61804043, 62071424, 62027805）、浙江省先进微纳电子器件智能系统及应用重点实验室开放课题、浙江省自然科学基金（LD21F010002）、河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（EERI_PI2020008）资助。

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Enhanced Photodetection Performance of Photodetectors Based on Indium-Doped Tin Disulfide Few Layers

Chao Fan*, Zhe Liu, Shuo Yuan, Xiancheng Meng, Xia An, Yongkai Jing, Chun Sun, Yonghui Zhang, Zihui Zhang, Mengjun Wang, Hongxing Zheng, and Erping Li

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.1c06305

Publication Date: July 20, 2021

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（本稿件来自ACS Publications）