探索MoS2/Sb2Se3异质结构中的双NDR调制及紫外-近红外光检测技术

《Advanced Optical Materials》：Exploring Double NDR Modulation and UV-NIR Photodetection in MoS2/Sb2Se3 Heterostructures

MoS?/Sb?Se?异质结在室温下表现出双负微分电阻（NDR）峰特性，NDR-1源于带间隧道（BTBT），NDR-2在激光激发下由陷阱态主导的载流子复合机制形成。研究揭示了光强、波长和门电压对NDR峰的动态调制作用，并证实该异质结在紫外至近红外波段具备高响应光探测器性能。

　　本研究聚焦于一种基于二维材料与准一维材料异质结的负微分电阻（NDR）行为，探讨了其在高频率电子器件和逻辑电路中的应用潜力。MoS?/Sb?Se?异质结作为研究对象，展示了在室温下显著的整流特性以及两个不同的NDR峰。这一发现不仅拓展了NDR器件的设计思路，还为实现可调谐的电子与光电子器件提供了新的可能性。研究团队通过机械剥离获得了具有准一维特性的Sb?Se?薄片，并采用化学气相沉积（CVD）技术制备了高结晶度和均匀厚度的MoS?层，从而构建了具有精确能带对齐特性的异质结。这种异质结构在电子传输、光电响应以及NDR特性方面展现出独特的性能，尤其在光调控下，NDR峰的位置和强度均发生变化，显示出对光谱范围的广泛响应能力。

Sb?Se?是一种具有直接带隙的p型半导体材料，其带隙宽度在1.1至1.2电子伏特之间，适用于紫外至近红外波段的光吸收。这种材料具有较高的吸收系数和良好的化学与热稳定性，使其在太阳能电池和光探测器等应用中具有重要价值。而MoS?作为n型过渡金属二硫化物（TMDC）材料，其高载流子迁移率和可调的能带结构使其成为构建NDR异质结的理想选择。研究中通过电子束蒸发技术制备了Bi/Au（20 nm/50 nm）电极，以确保接触电阻低且无肖特基势垒，从而准确反映异质结内部的传输机制。在没有外加栅极电压的情况下，NDR行为的出现表明该异质结的NDR特性主要源于异质界面处的内置电场和能带弯曲，而非外部电场的调控。这使得异质结能够在低功耗条件下实现NDR特性，从而为开发高效、低功耗的电子器件提供了新的思路。

在光照条件下，异质结表现出两个NDR峰，分别对应于不同的物理机制。第一个NDR峰（NDR-1）主要来源于带间隧穿效应（BTBT），其产生与材料的能带对齐密切相关。当外加电压达到一定阈值时，带间隧穿概率增加，导致电流达到峰值，随后由于隧穿通道的减少，电流出现下降，形成NDR区域。而第二个NDR峰（NDR-2）则与光生载流子的生成、陷阱态的形成以及载流子的复合动力学有关。在光激发下，载流子被引入到Sb?Se?层中，部分载流子在陷阱态中被捕获，从而减少了自由载流子的数量，导致电流在特定电压范围内突然下降，形成NDR-2峰。这一过程表明，NDR-2峰的出现是光生载流子与陷阱态之间动态平衡的结果，而非简单的隧穿效应。

研究进一步探讨了光强度对NDR行为的影响。随着激光功率密度的增加，NDR-1峰的位置逐渐向较低电压偏移，同时其峰的锐度和电流下降的幅度也有所减弱。这可能是由于更高光强度下载流子的产生增加了光生载流子的散射和复合过程，从而影响了隧穿效应的效率。而对于NDR-2峰，其峰的锐度和幅度在高功率下也会发生减弱，这表明光生载流子的密度和能量分布对NDR-2的形成具有重要影响。在某些情况下，当光激发的能量足够高时，可能还会引起隧穿效应的饱和，从而抑制NDR-2的出现。因此，NDR峰的出现和变化不仅受到材料本身的特性影响，还与外部光刺激的参数密切相关。

研究还探讨了NDR峰对光波长的依赖性。当激光波长从365 nm增加到980 nm时，NDR-1峰的位置基本保持稳定，而NDR-2峰则随着波长的变化而显著移动。这表明NDR-2的出现与光子能量的调控密切相关，光子能量的变化可能会影响载流子的激发和陷阱态的填充情况。在某些波长下，例如365 nm和980 nm，NDR-2峰消失，这可能是由于光子能量不足以激活深层陷阱态，或由于载流子密度不足而无法形成明显的NDR效应。这种对光波长的响应特性为实现基于光调控的NDR器件提供了新的可能性，使得器件能够在不同光谱范围内进行功能切换和性能优化。

此外，研究还展示了栅极电压对NDR特性的影响。通过调节栅极电压，可以有效地调控NDR峰的位置，使其在更低的电压下出现。这表明栅极电压能够改变异质结内部的电场分布，进而影响隧穿效应和载流子的传输行为。然而，尽管NDR峰的位置随栅极电压变化，其峰到谷电流比（PVCR）保持相对稳定，说明栅极电压主要影响的是电压阈值，而非载流子的隧穿效率或复合动力学。这种特性使得该异质结器件能够在不同的工作电压下进行灵活调控，同时保持稳定的电流响应。

在光探测器性能方面，MoS?/Sb?Se?异质结展现出良好的光电响应特性。通过时间分辨的光探测实验，研究人员发现该器件在不同波长（365–980 nm）下均能稳定地响应光信号，且具有较长的上升时间和下降时间。这种长响应时间可能与材料中的陷阱态有关，这些陷阱态能够暂时捕获光生载流子，从而延缓电流的恢复过程。然而，较高的响应效率（2679%）表明该器件在光生载流子的传输过程中具有显著的增益效应，即一个光子能够激发多个载流子，形成较大的光电流。尽管响应时间较长，但其在光谱范围上的广泛覆盖和高检测灵敏度使其在宽波段光探测应用中表现出色。

研究还通过扫描光电流显微镜（SPCM）分析了异质结中的光电流分布。SPCM结果表明，当施加零偏压时，异质结内部的内置电场能够驱动部分光生载流子分离，从而形成微弱但局部的光电流。在反向偏压下，内置电场增强，导致载流子分离效率提高，光电流显著增加。这种偏压调控的光电流响应机制为开发具有多模式响应能力的光电子器件提供了理论依据，例如可重新配置的传感器、偏压控制的光学开关以及需要光控电流调节的神经形态系统。

该研究的成果不仅在理论上丰富了对NDR异质结的理解，还为实际应用提供了重要的技术支持。MoS?/Sb?Se?异质结能够同时实现NDR行为和光响应，这种双重功能使其在光电子器件中具有独特的优势。相比于其他已报道的NDR器件，该异质结在响应率、检测率和外部量子效率（EQE）等方面表现出更优异的性能。尽管其响应时间相对较长，但高EQE和宽光谱响应范围仍使其在低功耗、高灵敏度的光探测应用中具有广阔前景。此外，研究还指出，通过优化材料结构和减少陷阱态密度，可以进一步提升器件的响应速度，同时保持其高灵敏度和宽光谱覆盖能力。

综上所述，MoS?/Sb?Se?异质结作为一种新型的NDR光电子器件，具有独特的物理机制和应用潜力。其NDR行为主要来源于带间隧穿效应和陷阱态驱动的复合动力学，而光调控则提供了额外的灵活性和可调性。这种结合使得异质结能够在不同的工作条件下进行性能优化，从而满足多种电子和光电子应用的需求。未来的研究可以进一步探索该异质结在不同环境下的稳定性，以及如何通过材料工程和界面调控来改善其响应速度，使其更适用于高速光电子器件。同时，该异质结的双重NDR特性也为开发具有复杂功能的新型电子器件提供了新的思路，例如基于NDR的逻辑电路、光控振荡器以及可调谐的传感器系统。