注：文末有本文科研思路分析
光电探测器是成像、信息通信与物联传感等关键元器件，其灵敏度与响应速度是决定应用性能的核心指标。二维过渡金属硫属化合物由于具有合适的带隙和强光-物质耦合作用，近年来在未来轻薄、柔性化光电探测器中极具潜力。那么，如何有效地提升这类材料在光电探测器中的响应灵敏度和响应速度呢？近日，华中科技大学的翟天佑教授和诸葛福伟副教授团队将单层MoS2与特有的平面型有机小分子相结合，制备出一种高灵敏、快响应的光电探测器。
伴随着石墨烯的发现，以MoS2为代表的二维过渡金属硫属化合物近年来受到越来越多的关注，大面积合成手段日益成熟，而其半导体能隙有利于实现高开关比的光电探测、场效应晶体管等应用，具有广阔的前景。然而，由于受到材料合成和器件集成过程中产生表界面缺陷态等影响，以MoS2为基础的光电探测器常存在响应慢的问题，光电响应时间常超过数十秒，在实际应用中严重受限。
华中科技大学研究团队开发的MoS2-平面型有机小分子酞菁锌（ZnPc）复合结构很好地解决了该问题。该有机小分子作为常用的有机光伏材料，与单层MoS2形成II型界面匹配关系，基于平面分子构型，其主要通过范德华作用力组装在MoS2表面，抑制新生界面态的出现，有利于实现面外光生电子和空穴的快速光伏型电荷分离。该团队发现，当以简单的液相浸泡方式将ZnPc分子组装至MoS2器件表面时，其光电响应速度迅速提升，由此前的数十秒降低至若干毫秒，提升超过3个数量级。基于这一快速响应的特性，该器件可以应用于简单的光学成像中。在此基础上，作者进一步引入Al2O3介电层作为表面钝化封装，使器件的响应度也得到大幅度提升，弱光（< µW/cm2）响应度超过103~104 A/W，实现了兼具高灵敏度和快速响应能力的二维MoS2探测器的构筑。
与此同时，在对该体系的研究中，该团队深入分析了造成MoS2光电探测器慢响应特征的关键——界面缺陷因素，并系统阐述了ZnPc表面分子修饰对MoS2内光电响应机制的影响，提出未来可通过分子筛选、MoS2层数控制等方法改善界面耦合，继续优化探测器的性能表现。该研究采用简单的液相法即可实现表面小分子的复合组装，器件结构和构筑方法可以很好地兼容未来探测器的高密度集成工艺，用于成像阵列的制备。这一成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是硕士研究生黄玉。
该论文作者为：Yu Huang, Fuwei Zhuge, Junxian Hou, Liang Lv, Peng Luo, Nan Zhou, Lin Gan, Tianyou Zhai
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Van der Waals Coupled Organic Molecules with Monolayer MoS2 for Fast Response Photodetectors with Gate-Tunable Responsivity
ACS Nano, 2018, 12, 4062, DOI: 10.1021/acsnano.8b02380
导师介绍
翟天佑
http://www.x-mol.com/university/faculty/37861
诸葛福伟
http://www.x-mol.com/university/faculty/37961
科研团队主页
http://zml.mat.hust.edu.cn/
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：该研究最初是希望探索基于MoS2与平面型有机半导体分子构成的范德华型异质结，找出其表面组装规律和界面电输运特性。在研究中，我们发现表面分子组装使MoS2探测器的光电响应速度巨大提升，表现出优异的性能。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：该研究最大的挑战在于理解MoS2原生器件中慢响应的原因并阐述响应速度提升的机制。目前，关于MoS2慢光电响应研究的理解多种多样，包括环境气氛影响、材料缺陷、界面态等多种因素，而表面分子修饰究竟是以什么机制提升响应速度被认为是后续改善探测器性能的关键。为此，我们花了大量的时间并进行对比实验，发现器件构筑过程中形成的界面态可能是造成慢响应的主要因素，而通过ALD沉积表面钝化并不能解决该界面因素。在此基础上，我们认为以有机分子修饰形成的面外快速电荷分离行为可有效抑制载流子的慢束缚过程，成为有效提升响应速度的主要原因。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：在该研究中，我们有效提升了以MoS2为基础的光电探测器的响应速度和灵敏度，为实现其实用化向前迈出了重要的一步，未来关于其阵列化与柔性化的集成研究有望使二维探测器在新型可穿戴设备、物联网领域得到应用。研究中关于探测器响应机制的深入探讨也为后续探测器的优化设计研究奠定了基础。
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