DOI: 10.1016/j.mtnano.2021.100112
过渡族金属硫化物 (Transition metal dichalcogenides, TMDCs)具有带隙随层数可调、高的载流子迁移率和良好的力学特性等优异的物理化学性质，所以在纳米电子学、纳米光电子学等领域都表现出很好的发展前景。作为一种典型的TMDCs材料，二硫化钨(WS2)拥有高的荧光量子产额(~6 %)、大的激子束缚能(~0.3 eV)和良好的化学稳定性等独特的优点，更是引起国内外研究者的普遍关注。
众所周知，单层二硫化钨由于是直接带隙半导体而具有较高的发光效率，但是其材料本征的低光吸收效率（~5%）缺点却在很大程度降低了器件性能。虽然已有一些文献报道利用异质结或表面等离激元等方法来提高WS2的光吸收率，但是由于这几种技术自身的限制，无法同时实现对整片单层WS2薄膜光吸收率的均匀、显著的增强，因此至今为止这还是限制其在光电探测器等领域进一步发展的难题。近日，中山大学刘飞教授、邓少芝教授等人，在期刊Materials Today Nano上发表研究论文。他们构筑了非对称型法布里-帕罗(F-P)共振腔WS2/SiO2/Au/Si复合结构，并分别利用时域有限差分法(FDTD)计算和实验确定了最佳的SiO2层厚度和Au膜厚度，最终将单层WS2对可见光的吸收率从5 %大幅提高到了49 %。随后为了验证F-P微腔的增强效果，他们又将 WS2/SiO2/Au/Si复合结构集成纳米光电探测器件中。研究发现：由于使用了F-P微腔结构，单层二硫化钨对于633 nm可见光的响应度从0.028 A/W大幅提高到8.3 A/W，光响应时间从380 ms缩减到150 ms，并且外量子效率从8 %增加到2287 %，比探测率则从109琼斯提升到1012琼斯。 ▲图1 (a) 单层WS2非对称型法布里-帕罗共振腔的示意图; (b) 单层WS2在形成光学微腔前（D1）、后（D2）的光吸收率曲线图; (c) 光吸收率随SiO2层厚度周期性变化曲线图
他们利用电子束蒸发法将100 nm厚的Au膜蒸镀在Si衬底上，然后利用等离子体增强化学气相沉积法将60 nm厚的SiO2沉积在Au膜上面，最后再将单层WS2转移到来SiO2层上方来构筑非对称型F-P共振微腔WS2/SiO2/Au/Si复合结构。在复合结构中，顶端的WS2层和底端的Au层都可作为F-P微腔的反射镜，这可以有效阻止入射光从复合结构中逃离，而作为隔离层的SiO2膜则用来调节折射和反射光线来产生相长干涉，从而使得入射光局域在WS2薄层之中来极大提升其光吸收率。▲图2 (a)~(d) FDTD计算获得的不同厚度的SiO2层条件下单层WS2中电场强度模拟分布图
有限差分法(FDTD)计算结果表明：在利用Au膜构筑成F-P微腔之后，单层WS2的光吸收率将会随SiO2层的厚度变化而呈现周期性变化，这可以利用F-P干涉仪中的相长干涉和相消干涉效应来解释。根据对称型F-P微腔的干涉公式2dncosθ = mλ，其中n=1.5和d分别代表了SiO2隔离层的折射系数和厚度，θ =0 为折射角，m代表了干涉级数且为正整数，λ=633 nm为入射光的波长，可以计算得到理想对称型的F-P微腔中产生相长干涉是SiO2层的厚度约为100 nm且对应相干增强的厚度周期为210 nm。但考虑到WS2/SiO2/Au/Si为非对称型F-P微腔，因此在SiO2层的厚度为60 nm时单层WS2中局域电场的强度就达到了最大值，即WS2层光吸收率达到最大值。与未使用Au膜时5%的吸收率相比，使用了F-P微腔结构的单层WS2结构对于633 nm可见光的吸收率增加了将近10倍(~49%)，这也要优于表面等离激元(5~6倍)和异质结(2~3倍)方法的增强效果。▲图3 (a, b) 两种复合结构的光学显微像和PL mapping图；(c, d) 其对应的Raman和PL谱； (e, f) 非对称型F-P微腔的工作示意图和使用F-P前后的单层WS2中的光线传播路径对比
PL光谱和Raman光谱的实验测试结果同时表明：在构筑F-P共振微腔之后，单层WS2纳米结构的光吸收率将比原来增加了4倍，这与前面的FDTD拟合结果相一致。根据非对称型F-P共振微腔WS2/SiO2/Au/Si的复合器件结构就可以解释这个光吸收率的增强效应。因为实验中引入了Au膜形成了F-P微腔结构，SiO2层的厚度又选择了最优值(d=60 nm)，这满足了相长干涉的条件，所以绝大部分的入射光都会在SiO2/Au界面和WS2/Air界面之间多次重复发生反射并形成干涉增强，这就导致了单层WS2结构对于633 nm可见光的吸收达到了最大值。▲图4 使用F-P微腔前(D1)、后(D2)单层WS2纳米光探测器工作性能的对比
进一步的光探测器件的性能测试结果表明：在633 nm的光照下，使用F-P微腔复合结构的单层WS2光探测器件最大光电流和开关比分别增大到使用之前的50倍和20倍；与此同时，光响应度和比探测率也分别提高到使用之前的296倍和103倍；并且器件的外量子效率也相应增大了近300倍。这些器件性能的提升都要归咎于使用F-P微腔结构后，单层WS2的光吸收获得了极大的提高。研究结果揭示：F-P微腔不仅能够均匀地、高效地提高整片单层WS2薄膜的光吸收率，而且还能大幅提高单层二硫化钨光探测器件性能。他们的研究工作很可能为均匀、有效地提高二维纳米结构的低光吸收率提供一种理想的解决途径。该研究成果近日以“Efficiently Enhanced the Visible-light Absorption of Monolayer WS2 by Constructing an Asymmetric Fabry-Perot Cavity”为题发表在Materials Today Nano上，论文第一作者是中山大学博士研究生田颜，通讯作者为中山大学电子与信息工程学院广东省显示材料与器件重点实验室刘飞教授和邓少芝教授。
刘飞，中山大学教授，博士生导师，教育部“新世纪优秀人才支持计划”和广东省高等学校“千百十人才工程计划”入选者。2005年于中科院物理所获得理学博士学位，同年在中山大学参加工作。2012年-2013年在日本国立物质材料研究所（NIMS）作访问学者。研究要从事低维无机纳米材料及其光电器件研究，重点关注新型低维硼基和过渡金属硫族化合物纳米材料的可控制备及掺杂技术、调控它们的光学、电学、力学和磁学特性、探索它们的本征物理机制并开发和构筑高性能的光电纳米器件。已在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano，Nano Lett.等国际知名期刊上发表论文80余篇，同时获得中国发明专利授权3项。主持国家重大科学仪器设备专项课题、国家自然科学基金面上项目和青年项目等科研项目。研究成果先后获得中国真空学会的“优秀博士论文奖”、广东省科技协会 “南粤优秀学术论文一等奖”和中国电子学会真空电子学分会的“优秀青年论文奖”。
邓少芝，中山大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。曾任国家纳米重大科学研究计划项目首席科学家，国家“十一五”和“十二五”863计划新型平板显示技术重大项目总体专家组成员。现任中山大学电子与信息工程学院院长、微电子学院院长、光电材料与技术国家重点实验室副主任、广东省显示材料与技术重点实验室主任，兼任国际真空纳电子学大会执行理事会执委、中国真空学会理事会副理事长、中国真空学会电子材料与器件专业委员会主任。从事微纳电子光子研究，专长是高频微纳电子光子核心元器件和核心功能材料，在纳米冷阴极、纳米冷阴极高频与发光器件、太赫兹波与中红外光低维结构探测器件等方面做出了系统性、创造性贡献。发表SCI论文超过300篇，获发明专利超过50项。获国家自然科学二等奖2项，获中国青年科技奖。曾应邀在国际真空纳电子学大会上做Plenary Talk，曾担任国际真空纳电子学大会主席和国际薄膜晶体管会议大会主席。
