传统半导体器件，比如Si、Ge、CdSe、InGaAs等，受限于其材料本身特性和制备工艺等因素，制备而成的光电器件的光电转换效率较低，光谱响应范围一般较窄且响应时间一般是在纳秒量级。光电器件的性能取决于其响应度、光谱响应范围和响应时间。而如何使光高效率地转化成载流子，再使电子-空穴快速分离，并快速输运产生光电流一直是光电器件研究的重点。二维过渡金属硫化物由于其表面钝化的悬挂键，易于形成同质或异质结；其次，原子层厚度的二维材料对光的吸收率可达到~20%，与光的相互作用强；而且它们具备在可见近红外波段可调的光学带隙。正是由于二维材料的优异光学和电学性质，近几年来基于二维材料的光捕获和光探测器件成为了研究的热点，结合了不同的二维材料和金属纳米结构的异质结作为结构单元所形成的器件可以实现不同功能性的光伏和光电器件。
利用金属的表面等离激元特性来实现对光的强吸收和高效的光电转换是近年来非常热门的研究课题。基于二维材料的光电探测器件，利用金属等离激元产生的热电子来实现高效率的光电转换和超快响应是一种非常有效的方案。针对光电子器件的应用，如何找到一个制备简单，成本低并具备超快响应特性的金属半导体器件一直是一个非常重要的研究课题。
北京大学物理学院方哲宇课题组首次利用模板溅射结合的方法制备了金纳米阵列二硫化钼的异质结，利用飞秒时间分辨光谱技术对该异质结界面处的超快电荷转移过程进行了系统的研究。首先是这种异质结的制备成本低、制作过程简单并且其对光的吸收波段覆盖宽（400~1000 nm）；其次是该异质结具有超快光响应特性（即光生载流子及其分离时间非常短），飞秒泵浦探测光谱技术表明在金纳米阵列二硫化钼异质结构中，由于金纳米结构中表面等离激元诱导产生的热电子可以被转移到二硫化钼单层中。界面处热电子的转移时间发生在大约200飞秒量级，注入到二硫化钼单层中的电子密度约为5.6×1012 cm-2。另外，这种异质结中二硫化钼激子发光所辐射的激子能量能被基底金纳米阵列结构增强、耦合并辐射出去。值得注意的是由于该异质结的制备采用的是电化学和溅射法结合的工艺，其制备成本极低相对于常规的物理制备方法来说，且结构参数可控，这就有利于金属二维半导体异质结器件的优化和性能的提升。
这种金属半导体异质结中，金属表面等离激元所诱导的热电子的产生和超快热电子转移，可有效地提升光捕获和光电转换的效率，在新型二维光电子器件和太阳能电池等方面有着潜在的应用，而且该异质结的制备方法为低成本和高性能的光电探测器件的制备提供了一条可行的途径。
这一成果近期发表在《Advanced Functional Materials》上。
该论文作者为：Ying Yu, Ziheng Ji, Shuai Zu, Bowen Du, Yimin Kang, Ziwei Li, Zhangkai Zhou, Kebin Shi, and Zheyu Fang*
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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201601779/full
Ultrafast Plasmonic Hot Electron Transfer in Au Nanoantenna/MoS2 Heterostructures
Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 6394-6401, DOI: 10.1002/adfm.201601779
导师介绍
方哲宇研究员
http://www.x-mol.com/university/faculty/26792