中大新聞網訊（通訊員劉飛）由于具有優良光致發光特性、強自旋軌道耦合能（420 meV），高量子產額（~6%），大激子結合能（0.3 eV）和高載流子遷移率（1103 cm2V-1s-1）等優點，二硫化鎢（Tungsten Disulfide，WS2）被認為是一種理想的可見光敏感材料。因為對于光電探測器件來講，高光響應度意味著其光生載流子的壽命較長，而長的載流子壽命不可避免地會導致其具有較長的光響應時間，所以獲取高光響應度和快速的響應時間一直是相互矛盾的難題。因此，設計一種新型的器件結構來使得WS2材料兼具高光響應度和快速響應時間性能對于推動其在可見光探測領域的發展就顯得十分必要。
在本研究中，中山大學電子與信息工程學院劉飛教授和佘峻聰教授研究組基于單層二硫化鎢微針尖，設計出一種新型的平面場發射型可見光探測器件。利用三維電磁仿真軟件，通過優化針尖頂角，針尖陣列間距以及陰陽極距離等結構參數，單層WS2微針尖器件表現出優異的場發射特性及光響應特性。研究結果表明，單層WS2三針尖器件的最大場發射電流密度可達52 A cm?2 (@300 V μm?1)，在綠光輻照下三針尖器件的最大光響應度為6.8 × 105 A W?1，而對應的光響應時間為6.7 s。WS2平面場發射型可見光探測器件的性能要比光電導型、異質結型和F-P微腔等其他類型的光電探測器件有大幅提升，這表明其在高性能光電探測領域具有巨大的發展潛力。
圖1： (a，b) 單層WS2微針尖平面場發射器件的AFM和SEM圖；(c，d) 三針尖器件的AFM和SEM圖。其中白色虛線給出了針尖位置，三個針尖的頂角均約為60°；(e，f) WS2單針尖或三針尖的拉曼光譜和熒光光譜
圖2 ：(a) 不同頂角單層WS2場發射的電場分布模擬；(b) 二硫化鎢尖端的場強與頂角之間的關系
圖3： (a, d) 單層WS2單針尖或三針尖器件在不同輻照條件下的I-V曲線；(b、e) 單層WS2單針尖或三針尖器件在綠光照射下的光響應曲線；(c、f) 相應提取的上升和下降光響應曲線
該團隊成功發展出單層二硫化鎢微針尖的新型平面場發射型可見光探測器件的EBL制作工藝，并系統研究了其光敏特性。通過仿真計算，發現當二硫化鎢微針尖的頂角為60°，針尖陣列之間的距離為3 μm，陰陽極間距為100 nm時，器件不僅擁有最佳的場發射特性，而且也具有優良的可見光響應特性。單層WS2三針尖器件的最大光響應度可達6.8 × 105 A W?1，與此同時器件也具有較快的光響應時間6.7 s，這要比單針尖器件的光響應度（1.8 × 103 A W-1，9.2 s）高兩個數量級。該團隊將二硫化鎢針尖具有優良光響應特性的原因歸咎于其原子級的尖銳邊緣、較大的電導率以及高的外量子效率。這種平面場發射型光電探測器件結構很可能為解決可見光探測中高光響應度-快速響應時間這一相互矛盾的難題提供了一種新的實驗路線。
該成果近期以“High-Performance Planar Field-Emission Photodetector of Monolayer Tungsten Disulfide with Microtips”為題在國際權威期刊Small上發表。中山大學電子與信息工程學院田顏博士為本文的第一作者，劉飛教授和佘峻聰教授為本文的共同通訊作者。中山大學電子與信息工程學院為第一作者單位。
