中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
二維材料因其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在光電探測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)金屬和半金屬電極的功函數(shù)固定，難以大范圍可調(diào)，限制了其在二維金屬 - 半導(dǎo)體 - 金屬（MSM）結(jié)構(gòu)光電探測器中的應(yīng)用，難以實現(xiàn)理想的能帶對齊和性能優(yōu)化。此外，金屬沉積過程可能導(dǎo)致二維材料界面損傷，進(jìn)一步影響器件性能。
近日，松山湖材料實驗室和華南理工大學(xué)聯(lián)合開展的研究取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊成功開發(fā)出一種具有廣泛可調(diào)功函數(shù)的聚合物電極，并將其應(yīng)用于非對稱MSM結(jié)構(gòu)的二維光電探測器設(shè)計中，顯著提升了器件性能，為下一代柔性、自驅(qū)動光電探測器的發(fā)展提供新思路。
研究團(tuán)隊采用了一種溶液加工的透明 PEDOT:PSS 電極，通過調(diào)節(jié) PSS 與 PEDOT 的比例，實現(xiàn)了從 5.1 eV 到 3.2 eV 的大范圍功函數(shù)調(diào)節(jié)。利用這種聚合物電極，構(gòu)建了與二維過渡金屬二硫化物（TMDs）的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。實驗中，團(tuán)隊采用轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn) PEDOT:PSS 電極與二維TMDs的范德華集成，形成非對稱接觸結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)高性能的自驅(qū)動二維光電探測器。由于PEDOT:PSS電極在可見到短波紅外區(qū)間有著較高的透過率，可以利用MSM結(jié)構(gòu)的內(nèi)發(fā)射機(jī)制實現(xiàn)亞帶隙波段的檢測。
實驗結(jié)果顯示，基于這種聚合物電極的二維 WSe? 光電探測器在性能上取得了顯著提升。其整流比高達(dá)約 10?，遠(yuǎn)超大多數(shù)已報道的 TMD 基非對稱 MSM 結(jié)構(gòu)。在 520 nm 激光照射下，器件展現(xiàn)出優(yōu)異的自驅(qū)動能力，無需外部偏壓或柵壓即可工作，這為可穿戴光電器件的應(yīng)用提供了巨大優(yōu)勢。此外，該器件在 200 μW 激光功率下實現(xiàn)了高達(dá) 10? 的光 - 暗電流比，暗電流低至 10?13 A，表明其具有極高的信噪比和出色的探測能力。在低功率條件下，器件的響應(yīng)度（R）可達(dá) 1.8 A/W，探測度（D*）高達(dá) 2.34 × 1011 Jones，微秒級的超快響應(yīng)速度以及擴(kuò)展的近紅外響應(yīng)，展現(xiàn)了卓越的光探測性能。
圖 1.基于功函數(shù)為5.1 eV和3.2 eV的非對稱PEDOT:PSS電極的二維WSe2光電探測器性能。(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)520 nm波長下的I-V曲線； (c)自驅(qū)動光探測器在520 nm波長入射光（光功率為 200 μW）照射下得到的I-T數(shù)據(jù)； (d) 響應(yīng)度與比探測率隨著入射光強(qiáng)的變化；(e)不同入射波長下的最大光響應(yīng)度與比探測率 (藍(lán)色背景為光伏工作模式，紅色背景為MSM結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射機(jī)制)；(f) 零偏置電壓下，器件在520 nm入射波長下的響應(yīng)速度；(g-i) 器件的性能對比圖。
該聚合物電極不僅在 WSe? 基光電探測器中表現(xiàn)出色，還成功應(yīng)用于其他多種 TMDs 材料，如 MoTe?、WS?、InSe 和 SnS?，均實現(xiàn)了從可見光到近紅外（NIR）區(qū)域的擴(kuò)展響應(yīng)。其透明性使得器件能夠有效減少反射和吸收損失，進(jìn)一步提升了光探測效率。此外，基于 PEDOT:PSS 電極的二維光電探測器還展現(xiàn)出優(yōu)異的柔性和機(jī)械耐久性，在 5000 次彎曲循環(huán)后性能變化小于 15%，且在不同彎曲角度下仍能保持穩(wěn)定的光電性能，這為可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展提供了有力支持。
圖2.二維過渡金屬二硫化物 (TMDs)基光電探測器中不對稱 PEDOT:PSS 接觸的普適性研究。(a) PEDOT:PSS/TMDs異質(zhì)結(jié)用于拓展 TMDs 基光探測器的響應(yīng)至近紅外光譜；(b) 不同功函數(shù)的 PEDOT:PSS 電極對應(yīng)的透射光譜；(c) 在 1550 nm光照下，激光功率分別為 60、30 和 20 μW時，不同 TMDs 材料與不對稱 PEDOT:PSS 接觸的光電流；(d) 基于不對稱 PEDOT:PSS/TMDs結(jié)的光電探測器與已報道的 MSM 基光電探測器的光暗電流比和響應(yīng)時間對比圖。
圖 3. 柔性PEDOT:PSS/WSe2光電探測器。(a)柔性器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)光學(xué)照片； (c) 彎曲測試性能(曲率半徑為1.5 cm)；(d)不同彎曲角度下的歸一化光電流；(e)環(huán)境穩(wěn)定性測試。
這項研究通過創(chuàng)新性地設(shè)計具有可調(diào)功函數(shù)的聚合物電極，實現(xiàn)了高性能、自驅(qū)動、柔性二維光電探測器的開發(fā)。其在可見光到近紅外區(qū)域的寬光譜響應(yīng)、高響應(yīng)度、快速響應(yīng)時間以及優(yōu)異的機(jī)械耐久性，使其在智能交互系統(tǒng)、可穿戴電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為下一代光電器件的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 相關(guān)研究成果以“A homogenous polymer design with widely tunable work functions for high-performance two-dimensional photodetectors”為題發(fā)表Reports on Progress in Physics上 (Rep. Prog. Phys. 88 (2025) 068003)。其中，松山湖材料實驗室與華南理工大學(xué)聯(lián)培碩士生陳有辰為文章第一作者，松山湖材料實驗室林生晃研究員、崔楠副研究員、華南理工大學(xué)傅年慶副研究員為論文共同通訊作者，松山湖材料實驗室為第一通訊單位。
