二维SnS2/SnS异质结的可见光探测研究

Two-dimensional material is a hot topic of next generation technologies in information, energy and other fields. And tin disulfide is a fresh member of two-dimensional materials. Application research is one of main tasks of tin disulfide at present. The aim of this project is to solve two problems of the application in photodetector: one is low photoelectric conversion efficiency of visible-light photodetectors based on tin disulfide, and the other is difficulties on preparation of heterostructures. Thus related visible-light detection researches are conducted, and heterosturctures make electrons and holes separated. In-situ growth of heterosturctures is also investigated to lay a foundation of industrial application. The specific contents include three parts. (1) At first In-situ growth of SnS2/SnS heterostructures is explored. And 2D SnS2/SnS heterostructures are prepared via chemical vapor deposition and template transfer methods. (2) Then visible-light detectors based on the heterostructures are fabricated. And performances of the detectors are tested. Influence of heterostructure on the photoelectrical conversion efficiency is also analyzed. (3) In the end theoretical models of heterostructures are established, and the process of photoelectric conversion of the visible light detector based on 2D SnS2/SnS heterostructures is investigated. Mechanisms of photoelectric conversion are revealed.

二维材料是信息，能源等领域新一代技术的研究热点，而二硫化锡是近年来新兴的二维材料，发展二硫化锡的应用研究是目前研究面临的主要任务之一。本项目主要针对二硫化锡在光探测领域面临的光电转换效率不足和二硫化锡异质结制备难的问题，利用异质结结构将电子空穴分离，开展相关的光探测研究，并发展二硫化锡异质结原位生长的方法，为工业化应用进程奠定基础。具体的研究内容包括：（1）实验制备二维二硫化锡/硫化亚锡异质结，通过化学气相沉积法和模板转移法制备异质结，实现二硫化锡/硫化亚锡异质结的原位生长；（2）构筑异质结可见光探测器并进行性能测试，分析异质结结构对光电转换效率的影响规律；（3）建立二硫化锡/硫化亚锡异质结的理论模型，分析二硫化锡/硫化亚锡异质结可见光探测器的光电转换过程，揭示二硫化锡/硫化亚锡异质结的光电转换机理。

二维材料二硫化锡具有原子级厚度尺寸，高比表面积，高吸收系数，对环境敏感等优异的特点，在高速高灵敏度光探测器中具有极大的应用潜力，但是目前制约二硫化锡光探测器发展的主要问题是光电转换效率低和缺少有效稳定的制备方法。针对这些问题，我们开展了二硫化锡/硫化亚锡异质结制备、以及基于二硫化锡/硫化亚锡异质结的高性能光探测器的研究。取得了如下的成果：（一）分别通过化学气相沉积法生长了二硫化锡、硫化亚锡、二硫化锡/硫化亚锡异质结薄膜，通过水热法生长了二硫化锡纳米片、硫化亚锡微米带、铟元素掺杂二硫化锡纳米片，并通过机械剥离法和辅助转移法结合制备了二硫化锡/硫化亚锡异质结薄膜，获得了与不同生长方法对应的温度等生长参数。为二硫化锡、硫化亚锡、二硫化锡/硫化亚锡异质结商业化制备奠定了基础和提供了实验指导；（二）分别制作和测试了基于二硫化锡的光探测器、基于硫化亚锡的光探测器和基于二硫化锡/硫化亚锡异质结的光探测器，相比基于单一材料二硫化锡、硫化亚锡的光探测器，基于二硫化锡/硫化亚锡异质结的光探测器性能更为优异，光响应度为7070 A/W，比探测率为7.22 E13 Jones，光响应度和响应速度均获得了提升，性能远远超过了商用的光探测器，验证了pn异质结优化二硫化锡光探测器的可行性，为二硫化锡基高性能光探测器的应用开发提供了实验基础；（三）构筑了二硫化锡/二硒化锡异质结的光探测器，相比于基于单一材料的光探测器，基于此nn异质结的光探测器性能得到了提升，光响应度为5194 A/W，比探测率为2.05 E11 Jones。另外制作了基于铟掺杂二硫化锡的光探测器，在响应速度保持不变的情况下，铟元素的掺杂提高了二硫化锡基光探测器性能，通过引入掺杂能级、构筑pn或者nn异质结等方法改变能带结构，对光生电子-空穴对进行有效地分离，增强了光探测器的性能。并且内建电场的存在提高了载流子在层间的输运速度，提供了提高光探测性能的方法，为二硫化锡基光探测器的商业化应用奠定了理论基础。