近期，西北工业大学齐卫宏教授与中国科学院兰州化学物理所刘维民院士合作研究发现，镍纳米颗粒修饰缺陷二硫化钼能够形成光门控效应，可显著改善器件的红外光电探测性能。该发现可用于揭示非表面等离子体共振效应的金属纳米颗粒与半导体形成的异质结的载流子传输特性。相关研究成果以“A High Performance MoS₂-Based Visible-Near Infrared Photodetector from Gateless Photogating Effect induced by Nickel Nanoparticles”为题发表在国际知名刊物《Research》上。

红外光电探测器广泛应用于环境检测、遥感、生物医学成像等领域，而二维材料被认为是构建下一代红外光电探测器的热门候选材料。其中，二硫化钼作为最具代表性的二维材料之一，拥有许多优秀的特性，使得其在红外光电探测领域受到了科学家的广泛关注。二硫化钼由于较大的带隙（1.2~1.8 eV），在可见光波段已展示出了优越的光电探测性能，但在红外波段工作时的性能较差，这限制了二硫化钼的进一步应用。针对二硫化钼带隙较大的问题，许多团队采用缺陷工程引入缺陷能级来减小带隙，但是缺陷能级会捕获电子，导致电子和空穴持续在缺陷能级处复合，增大暗电流，降低器件灵敏度和响应速度，损害器件的综合性能。因此，如何改善缺陷工程的不良影响是二硫化钼应用于红外光电探测器中的一个瓶颈问题。

齐卫宏教授与刘维民院士发现通过镍纳米颗粒修饰使电子在镍纳米颗粒中积累，减少电子与空穴在缺陷能级中的复合，且积累电子在镍纳米颗粒也会影响沟道中的载流子传输特性（光门控效应），增强了二硫化钼对空穴的导电能力，从而改善引入缺陷能级导致的不良影响，最终实现了器件在近红外光电探测性能的大幅提升。

研究人员通过氢气退火的方法在多层的二硫化钼表面引入了硫空位缺陷并生长了镍纳米颗粒，并以仅引入硫空位缺陷的二硫化钼作为对照组。在对实验组和对照组进行了测试后发现，两个器件展现出了截然不同的伏安特性曲线（图1），对照组器件表现出了以电子为多子的载流子传输特性，而实验组则表现出了以空穴为多子的载流子传输特性。此外，实验组在保持暗电流未明显增大同时，光电流有了大幅提升。在980 nm光源辐照下，镍纳米颗粒修饰前后的响应度和探测率由0.15 A·W^-1和1.1×10⁹ Jones提升至1.38 A·W^-1和8.9×10⁹ Jones。

图1 （A, C）二硫化钼的伏安特性曲线；（B, D）镍/二硫化钼的伏安特性曲线

研究人员进一步揭示了镍纳米颗粒修饰调控二硫化钼载流子传输行为的具体机制。在镍纳米颗粒与二硫化钼形成接触后，界面处形成内建电场，在能带结构中表现为二硫化钼的能带发生“弯折”，产生光生电子后，电子在内建电场的作用下向镍进行移动，即光伏效应。同时，内建电场也阻止电子重新回到二硫化钼中，因而在镍中积累，且积累电子的镍纳米颗粒会导致光门控效应，这使得沟道中的空穴导电性得到增强（图2）。由于硫空位导致的缺陷能级仅捕获电子，转变为空穴导电可以使器件中载流子在传输过程中不易受到缺陷能级的影响。此外，这种机制也使得空穴和电子的复合减少，在光响应时更易达到稳态。测试结果也显示，修饰后器件的响应时间由120.1 ms降低为50.3 ms。

图2 （A）二硫化钼器件的能带结构；（B）镍/二硫化钼和相应器件的能带结构；（C）镍/二硫化钼工作条件下的示意图

该研究提出了一种改善缺陷工程的有效策略。缺陷工程提升了二硫化钼在红外探测中的应用范围，赋予了二硫化钼更多的可能性，因此缺陷工程的优化至关重要。基于镍纳米颗粒修饰来改变二硫化钼中的载流子传输行为是一种另辟蹊径的策略，在不改变缺陷二硫化钼带隙的前提下，通过镍纳米颗粒规避了缺陷能级的不利影响，基于纳米颗粒导致的光门控效应改善沟道中的空穴导电性，有效加快了器件的响应速度并提升了器件性能。该研究提出的策略和相应机制具有普适性，为高性能红外探测器的材料设计提供了新的思路。

论文的第一作者为博士生段然，通讯作者为齐卫宏教授和刘维民院士。该工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、烟台先进材料与绿色制造山东省实验室开放课题的支持。

论文链接：https://spj.science.org/doi/full/10.34133/research.0195 

供 稿 / 段然

编 辑 / 黄秋平

审 核 / 杨庆考 吕文泉