通过Co插层提高TaS2光电探测器的器件稳定性

一、 【研究背景】  

由于二维材料具有大的比表面积，二维器件通常对环境因素敏感，这对其可靠性和稳定性构成了挑战。增强这些器件的稳定性涉及解决化学稳定性、结构稳定性和热稳定性等问题。当前缓解这些问题的策略包括表面保护技术，例如通过转移技术用稳定的六方氮化硼进行覆盖或通过原子层沉积法涂覆金属氧化物层，这可以防止材料与周围大气发生化学反应。表面处理还可通过改变二维材料的表面化学性质来提高稳定性。但是这些方案，需要对材料进行额外的外部操作。本研究介绍了插层技术作为提高二维材料的稳定性可能的途径。

二、【成果掠影】

本工作中，我们比较了2H-TaS₂和插层Co的Co_0.22TaS₂晶体所制备的微纳器件的光电响应。我们的研究结果表明，Co插层显著增强了光电器件的稳定性和性能。我们通过频率调制测量出插层器件的182 μs的有效响应时间；通过偏压分辨的光电流、空间扫描光电流分布图光电来源主要是光热电机制。本征器件在光照下数小时内会在出现响应度明显退化；而Co插层器件能保持近乎恒定的性能，其性能退化可忽略不计，两个月后，光响应度仍保持在98.8%，对应约9.4年的预计工作寿命。此外，Co插层也同时提高了器件性能，使响应度实现了2倍左右的增长。在真空条件下进行的对照实验排除了表面分子吸附的影响。我们通过DFT计算，认为这种稳定性提高可能来源于插层原子有效阻止水氧分子进入范德华层间。这种抑制作用减少了可能的层间氧化和光化学反应，从而显著增强了材料的抗降解能力和稳定性。这些结果为提高二维光电器件的稳定性和耐用性提供了一种有效的方法。

该课题由华东师范大学袁翔课题组完成。工作获得国家自然科学基金、上海市科委与华东师范大学的支持与资助。论文以华东师范大学为第一单位，袁翔为本文通讯作者，华东师范大学硕士刘炳林、博士孟祥浩为共同第一作者

三、【数据概览】

图1  Co_0.22TaS₂单晶体的合成与表征。 (a) Co_0.22TaS₂ 的晶体结构。(b)生长Co_0.22TaS₂的过程示意图。(c) Co_0.22TaS₂单晶。(d) XRD图谱。(e) EDX能谱。(f)拉曼光谱。(g)温度依赖的电阻率。箭头指示可能的铁磁相变。(h) 不同温度下的纵向磁阻ρ_xx。(i) 不同温度下测量的霍尔电阻ρ_xy。

图2  多层Co_0.22TaS₂器件的光电流产生机制。 (a) Co_0.22TaS₂器件与测试示意图。 (b) 在Co_0.22TaS₂器件中观察到光热电效应 (c)光电流空间分布。 (d) 沿 (c) 图中红色虚线的光电流分布曲线。

图3  Co_0.22TaS₂器件的光电流特征和性能。(a) 多层2H-TaS₂和Co_0.22TaS₂ 器件光响应度的对比图。(b) 短路光电流随光功率亚线性变化。(c) 器件的响应率与激发功率的关系图。(d) Co_0.22TaS₂ 器件的频率相关光电流响应，拟合得到的响应时间为τ ≈ 182 μs。(e) 短期开关稳定性测试。(f) 两个月后的长期稳定性测试。

图4光电稳定性比较。(a) 在大气条件下测量的2H-TaS₂器件在不同光功率下的光电流。(b) 2H-TaS₂器件的响应度作为光功率的函数。(c - f) 2H-TaS₂和Co_0.22TaS₂器件在环境和真空条件下的短期稳定性测试。

图5通过Co插层增强稳定性的机制。Co原子被插入到2H-TaS₂的层间， 插层原子的存在减少了水和氧分子进入层间空间，从而增强了光电器件的稳定性。

四、【成果启示】

该研究提示原子插层可能大幅提高二维电子和光电子器件的稳定性。

原文详情：

Enhanced Stability of TaS2 Photodetector by Co Intercalation

ACS Materials Letters

January 20, 2025

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c01919

本文由孟祥浩供稿