高性能WS2（Er）光电探测器通过非破坏性转移技术，利用等离子体金纳米颗粒实现功能增强

《Materials Science in Semiconductor Processing》：High-performance WS 2(Er) photodetectors enabled by plasmonic Au nanoparticles via a non-destructive transfer strategy

本研究通过PMMA介导的非破坏性转移策略，将金纳米颗粒集成到CVD生长的掺铒二硫化钨薄膜中，显著提升了可见光光电探测器性能。实验表明，在635 nm激光照射下，探测器响应度为3.56 A·W?1，外量子效率达696%，特定检测度为2.76×1012 Jones，较未掺杂样品分别提高4.56倍和3.22倍。研究证实了LSPR增强光吸收和Schottky势垒下热载流子转移机制的有效性，并为二维TMDCs的纳米结构集成提供了低损伤方法。

　　

王明军|舒一鸣|张天才|刘军|张翔|刘文静|徐敏|袁瑞|赵洪泉|史轩

重庆邮电大学电子科学与工程学院，中国重庆，400065

摘要

二维过渡金属硫属化合物（TMDCs）在高性能光电子器件中具有巨大潜力，但由于其本征的原子级厚度导致光吸收能力不足，严重限制了基于TMDCs的光电器件的性能。本文报道了一种基于化学气相沉积（CVD）生长的少层掺铒WS₂与金纳米颗粒（AuNPs）结合的高性能可见光光电器件，该器件通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）介导的非破坏性转移技术实现。通过快速热退火制备的AuNPs能够有效激发与WS₂(Er)的吸收带相匹配的局域表面等离子体共振（LSPR）。有限元模拟结果显示，WS₂(Er)表面的平均电场增强了8.14倍；实验结果表明，在635 nm波长下，其吸光度比原始WS₂(Er)提高了5.07倍。在635 nm激光照射下，AuNPs-WS₂(Er)光电器件的响应度为3.56 A W^?1，外部量子效率为696%，特定检测率为2.76 × 10¹² Jones，这些参数分别比原始WS₂(Er)器件高出4.56倍和3.22倍。性能提升源于AuNPs诱导的LSPR增强效应以及热载流子在AuNPs-WS₂(Er)界面处的肖特基势垒跨越。值得注意的是，掺铒处理减少了CVD生长WS₂中的原子空位，而PMMA介导的转移技术避免了高温/化学处理对器件的损伤。这项工作为等离子体纳米结构与二维半导体的集成提供了一种低损伤的方法，推动了基于TMDCs的高性能可见光光电器件的发展。

引言

二维过渡金属硫属化合物（TMDCs）因其可调的带隙、高载流子迁移率以及适合制造超高集成密度电路的原子级薄结构，已成为下一代光电子器件的重要材料[1,2]。在TMDCs中，二硫化钨（WS₂）在可见光检测应用中表现突出，但其本征的原子级厚度导致光吸收能力较低，严重限制了基于WS₂的光电器件的响应度和检测率[3,4]。此外，化学气相沉积（CVD）是制备大面积WS₂薄膜的最有前景的方法，但通常会形成含有钨空位的晶格，这些空位会降低材料的载流子迁移率和光电转换效率[[5], [6], [7], [8]]。这些挑战成为开发基于TMDCs的高性能器件的障碍，尤其是在量子通信、人工智能和可穿戴电子设备对快速灵敏光电器件需求不断增长的背景下[[9], [10], [11]]。

为了解决2D TMDCs的光吸收问题，将其与等离子体纳米结构集成已被认为是一种有效策略[12]。金属纳米颗粒（NPs）的局域表面等离子体共振（LSPR）可以显著放大NPs-半导体界面处的局部电场，并产生能够跨越肖特基势垒的热载流子[[13], [14], [15]]。金纳米颗粒（AuNPs）因其可调的LSPR带与WS₂的强吸收区域重叠、高化学稳定性和生物相容性而特别吸引人。然而，传统的集成方法存在关键限制：AuNPs的化学合成会引入表面活性剂（如溴化鲸蜡基三甲铵），这些物质会与脆性的2D WS₂发生反应；而直接的高温沉积或原位生长AuNPs会导致WS₂的结构损伤和缺陷产生[16,17]。因此，一种非破坏性的、可靠的方法来将高纯度AuNPs与2D TMDCs结合仍然是一个亟待解决的问题。

最近的研究表明，将稀土元素（如铒，Er）掺入WS₂是一种有效的策略，可以减少空位缺陷并优化其本征光电性能[[18], [19], [20]]。掺铒不仅能够钝化CVD生长WS₂中的钨空位，还能拓宽吸收光谱并提高载流子分离效率，为高性能器件奠定了基础[21,22]。尽管如此，掺铒WS₂（WS₂(Er)仍存在本征的光吸收限制，需要进一步的等离子体增强来充分发挥其潜力。

本文通过PMMA介导的非破坏性转移技术，将CVD生长的少层WS₂(Er)薄膜与AuNPs集成，制备了一种高性能可见光光电器件。这种方法避免了对WS₂(Er)的直接高温或化学处理，确保了二维薄膜的完整性，并实现了稳定的AuNPs-WS₂耦合。通过快速热退火制备的6 nm厚Au薄膜制成的AuNPs具有均匀的半球形形态，直径约为150 nm，其LSPR与WS₂(Er)的吸收带相匹配。有限元模拟显示WS₂(Er)表面的局部电场增强了8.14倍；实验结果表明，在635 nm波长下，其吸光度提高了5.07倍。在635 nm激光照射下，AuNPs-WS₂(Er)光电器件的响应度为3.56 A W^?1，外部量子效率为696%，特定检测率为2.76 × 10¹² Jones。PMMA介导的转移技术适用于将等离子体纳米结构与各种2D材料集成，同时不损害它们的本征性质；掺铒处理优化了CVD生长WS₂的缺陷结构。这项工作不仅为2D TMDCs的等离子体增强提供了低损伤途径，还为下一代光电子系统的高性能、可扩展可见光光电器件的发展做出了贡献。

结果与讨论

本节系统地分析了CVD生长的WS₂(Er)薄膜和AuNPs-WS₂(Er)混合器的结构、光学和光电性能，重点探讨了PMMA介导的AuNPs集成所实现的LSPR增强机制。深入分析了掺铒、AuNPs诱导的等离子体共振以及非破坏性转移策略对器件性能的协同效应。

图1a展示了在CVD系统中制备WS₂(Er)薄膜的过程。

结论

总结来说，我们通过将等离子体AuNPs通过PMMA介导的非破坏性转移技术集成到CVD生长的少层WS₂(Er)上，成功制备了一种高性能可见光光电器件。该方法通过AuNPs诱导的LSPR效应增强了器件的光吸收能力，并通过掺铒钝化了材料的内禀缺陷，从而有效提升了器件的光电性能。

实验部分

WS₂(Er)薄膜和器件电极的制备：将200毫克硫粉放入位于CVD系统第一温度区的石英舟中。将70毫克WO₃、12毫克ErCl₃（稀土掺杂源）和4毫克NaCl混合后放入另一个石英舟中，并置于第二温度区。在第二温度区上方放置一个c-平面Al₂O₃基底以沉积WS₂(Er)薄膜。随后，通入Ar/H₂混合气体

CRediT作者贡献声明

王明军：撰写——原始稿件、可视化、验证、研究、数据分析。舒一鸣：可视化、验证。张天才：软件开发、项目管理、方法论、研究。刘军：可视化、验证、数据分析。张翔：方法论、项目管理、资源协调。刘文静：软件开发、项目管理。徐敏：软件开发。袁瑞：撰写——审稿与编辑、方法论、资金争取。赵洪泉：撰写——审稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62406260）、西南技术工程研究院开放研究基金（项目编号：HDHDW59A010102）以及重庆市自然科学基金重点项目（项目编号：CSTB2024NSCQ-LZX0087）的支持。