宽谱光电探测器具有丰富的应用场景，囊括了从空间科学、生物医学、军事监控、显示与成像、工业安全到光通信等诸多领域。高性能宽谱光电探测器的结构优化和性能提升已成为理论仿真和实验研究的一个蓬勃发展前沿方向。宽谱探测实现的核心是设计和制备可宽谱光吸收的材料或膜系结构，最常用的策略是将多个具有互补带隙的半导体进行结合。但实际应用中集成多种传统三维（3D）半导体面临着光电系统复杂性和体积增加，微型化困难，灵活性有限以及制造成本高昂等多重挑战。二维（2D）材料具有多样且可调光学带隙、强与光相互作用、高载流子迁移率、柔性潜力和强可集成性。其中，2D单层（1L-）过渡金属硫族化合物（TMDs）已被证明是可见-近红外波段内高性能光电探测器的最佳候选材料之一。3D宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）带隙值在4.2 eV到5.4 eV之间，是日盲紫外光电探测器的优势材料，与2D-TMDs光吸收波段互补。已有理论计算预测，构建TMDs/Ga₂O₃ 2D/3D混合维度异质结相较单独组分材料可实现有效的宽谱光吸收。迄今为止，已有多种TMDs/Ga₂O₃高性能器件被报道，在器件应用方面取得了显著的进展，但迄今为止对其基本宽谱光学性质仍然亟待深入探索，特别是其能带排列和层间载流子传输机制。

近日，复旦大学张荣君教授带领团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了面向宽谱光电探测：二维过渡金属硫族化合物/非晶氧化镓异质结的能带排列及层间电荷传输机制的研究。该工作构建了通过将单层TMDs（MoSe₂、WS₂和WSe₂）薄膜转移至大面积非晶Ga₂O₃薄膜上构建垂型2D/3D异质结（图1），并通过拉曼光谱、PL和XPS等光谱检测方法对这三种TMDs/Ga₂O₃异质结中的能带排列和界面载流子传输进行了详细分析。

图1. (a) TMDs/Ga₂O₃异质结和 (b) 1L-TMDs薄膜样品的结构示意图。(c) WSe₂/Ga₂O₃和WS₂/Ga₂O₃异质结的光学显微镜图像。(d-f) TMDs/Ga₂O₃异质结和相应的单个1L-TMDs薄膜的拉曼光谱。

最终通过实验验证，垂直堆叠的MoSe₂/Ga₂O₃、WS₂/Ga₂O₃和WSe₂/Ga₂O₃异质结至少在200-800 nm的宽谱范围内光吸收均表现出色（图2）。与单独的Ga₂O₃薄膜吸收系数相比，TMDs/Ga₂O₃异质结在整个波长范围内的光吸收明显提高，特别是在可见光范围内。

图2. TMDs/Ga₂O₃异质结和Ga₂O₃薄膜的吸收系数谱比较

拉曼光谱表明（图1），在形成准平衡态的过程中，电子从具有更高E_F的TMDs层转移到Ga₂O₃一侧，使得三种TMDs薄膜中的电子密度在转移到Ga₂O₃薄膜上后都有所减小，结论也得到了XPS结果（图3）的支持。此外，还通过XPS揭示了TMDs/Ga₂O₃异质结的能带对齐方式为I型（图3），转移到非晶Ga₂O₃薄膜上的2D-TMDs的PL强度明显提升。

图3. (a) Ga₂O₃中Ga 2p的结合能和VB能量，(b) WS₂中W 4f的结合能和VB能量，(c) WS₂/Ga₂O₃异质结中W 4f和Ga 2p的结合能和VB能量。(d) TMDs/Ga₂O₃异质结的I型能带排列和(e)准平衡态能带示意图。

具体而言，三种TMDs/Ga₂O₃异质结中的层间载流子传输细节不同，因为三种TMDs相对于Ga₂O₃的能带偏移量不同以及三种TMDs具有不同掺杂类型，通过采用激发功率依赖PL光谱（图4）的研究阐明了传输差异的物理机制。本研究还发现介电常数屏蔽效应在调制Trion PL发光方面起到相对较小的作用，而其中TMDs的E_F变化起主导作用。本文中关于异质结能带对齐和层间载流子传输机制的研究为相关2D/3D宽谱光电探测器的能带设计和性能提升奠定了理论基础。

图4. 激发功率依赖PL光谱热力图(a) 1L-WS₂, (b) WS₂/Ga₂O₃异质结，其中白色虚线指示出Trion和中性激子的演化趋势。单层薄膜和异质结中WS₂的 (c) 积分强度和 (d) Trion束缚能随激发功率变化的函数。

本工作结合了2D-TMDs材料性质优势，优化了单一Ga₂O₃材料的光吸收，实验制备了三种TMDs/Ga₂O₃异质结薄膜，通过拉曼光谱、光致发光光谱等光谱手段对异质结的能带对齐方式和层间电荷转移情况做了深入探究，全面剖析其增益宽谱光探测物理机制，证明相关能带设计策略和构建2D/3D异质结结构是实现高增益宽谱探测的一种十分有效的新思路，开发了宽谱光电探测研究的新平台。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，复旦大学光电研究院博士后朱绪丹和复旦大学信息学院博士生刘未名为本文共同第一作者。复旦大学信息学院张荣君教授为本文通讯作者。该工作获得国家自然科学基金（NSAF联合基金）项目，国家重点研发计划和中国科学院长春光机所应用光学国家重点实验室开放基金、上海市高水平地方高校建设项目等支持。

复旦大学信息科学与工程学院教授，兼任复旦大学工程与应用技术研究院副院长，博士生导师；为Light学术出版中心Shanghai Office 负责人、《中国光学》编委；德国洪堡学者。长期主要从事光电信息功能材料与器件、光谱分析系统等方面研究和教学工作。已主持包括国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金和重点企事业单位合作等科研课题和项目20项，曾获教育部国家技术发明奖一等奖等奖励。已在国内外高水平学术期刊以主要作者发表论文近200篇。获“中国光学重要成果”(现更名为中国光学十大进展)一项。

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ACS Appl. Mater. Interfaces. 2024, ASAP

Publication Date: March 13, 2023

https://doi.org/10.1021/acsami.3c17016 

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