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Jul 11, 2023

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Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 20343 (2016) Diesen Artikel zitieren 10.000 Zugriffe 225 Zitate Metrikdetails Der zweidimensionale geschichtete halbleitende Wolframdisulfidfilm (WS2) zeigt

Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 20343 (2016) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Der zweidimensionale geschichtete halbleitende Wolframdisulfidfilm (WS2) bietet aufgrund seiner einzigartigen photoelektrischen Umwandlungseigenschaft große vielversprechende Aussichten für photoelektrische Anwendungen. Hier berichten wir in diesem Artikel über die einfache und skalierbare Herstellung homogener, großer und übertragbarer WS2-Filme mit einer Dicke von mehreren zehn Nanometern durch Magnetronsputtern und Nachglühen. Die hergestellten WS2-Filme mit niedrigem Widerstand (4,2 kΩ) werden zur Herstellung breitbandiger empfindlicher Fotodetektoren im ultravioletten bis sichtbaren Bereich verwendet. Die Fotodetektoren weisen hervorragende Lichtempfindlichkeitseigenschaften auf, mit einer hohen Empfindlichkeit von 53,3 A/W und einer hohen Detektivität von 1,22 × 1011 Jones bei 365 nm. Die vorgestellte Strategie ebnet neue Wege für das groß angelegte Wachstum übertragbarer, hochwertiger, einheitlicher WS2-Filme für verschiedene wichtige Anwendungen, darunter Hochleistungs-Fotodetektoren, Solarzellen, fotoelektrochemische Zellen usw.

Die erfolgreiche Isolierung von Graphen aus Graphit hat aufgrund seiner attraktiven elektrischen und mechanischen Eigenschaften1,2 und seines großen Potenzials für fortgeschrittene elektronische und photonische Anwendungen3,4,5,6,7,8 große Aufmerksamkeit erregt. Allerdings schränkt die Nullbandlücke von Graphen seine Anwendung in der Optoelektronik ein. Kürzlich hat das Aufkommen von zweidimensionalen (2D) graphenähnlichen Übergangsmetalldichalkogeniden (TMDs) den Nachteil der Nullbandlücke sehr gut behoben und aufgrund ihrer halbleitenden Eigenschaften und ihres Potenzials für verschiedene optische, elektrische und fotoelektrische Anwendungen enorme Aufmerksamkeit erregt9,10 ,11,12. WS2 und MoS2 sind die beiden typischsten TMDs mit Schichtstruktur, die aus atomaren SW/Mo-S-Dreischichteinheiten besteht13,14. Im Vergleich zu MoS2 weist WS2 eine höhere thermische Stabilität und einen größeren Betriebstemperaturbereich15 auf und verfügt über eine kontrollierbare Bandlücke im Bereich von 1,4 bis 2,1 eV, abhängig von der richtigen Schichtstruktur11,16, was zu einer breiten UV-zu-sichtbaren (UV-Vis) Absorptionsbande führt. Darüber hinaus wurde berichtet, dass WS2 eine starke Absorption von bis zu 5–10 % des einfallenden Sonnenlichts in einer Dicke von ca. 1 nm aufweist, eine Größenordnung höher als GaAs und Si17, was ein großes Potenzial für Photokatalyse, Solarzellen und hohe Empfindlichkeit zeigt UV-Vis-Fotodetektoranwendungen.

Die Vorbereitung eines gleichmäßigen, großflächigen WS2-Dünnfilms ist der grundlegendste Schritt für die Herstellung verschiedener Geräte. WS2-Filme können durch Top-Down- oder Bottom-Up-Methoden hergestellt werden. Bei Top-Down-Methoden durch mechanisches oder chemisches Abblättern aus der Kristallmasse ist es schwierig, die Größe und Dicke zu kontrollieren und gleichmäßige WS2-Filme zu erhalten18,19,20. Unter den Bottom-up-Methoden können mit der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) üblicherweise großflächige einkristalline 2D-Filme wie einschichtiges Graphen21 erzeugt werden. Für TMDs (MoS2, WS2) liegen jedoch keine Berichte über die Herstellung im Wafermaßstab vor Einkristallfilme mittels CVD-Methode hergestellt, mit Ausnahme der Herstellung von mikrometergroßen dreieckigen MoS2 und WS222,23,24. Was die Herstellung polykristalliner TMD-Filme betrifft, hat sich das Magnetron-Sputter-Abscheidungsverfahren aufgrund seiner Einfachheit, niedrigen Kosten, hohen Produktionsgeschwindigkeit und Skalierbarkeit als besser als das CVD-Verfahren erwiesen.

In dieser Arbeit wurde ein Gesichts- und skalierbares Magnetron-Sputterverfahren eingesetzt, um den übertragbaren, kontinuierlichen, zentimetergroßen polykristallinen WS2-Film mit einer Dicke von ~25,2 nm herzustellen, der dann zur Herstellung von Hochleistungs-UV-Vis-Fotodetektoren mit hervorragenden Fotoreaktionseigenschaften verwendet wird vom ultravioletten bis sichtbaren Bereich (365–650 nm), wie hohe Empfindlichkeit (53,3 A/W), hohe Detektivität (bis zu ≈1011 Jones) bei 365 nm. Daher wird erwartet, dass diese übertragbaren großflächigen WS2-Filme hoher Qualität nicht nur in Fotodetektoren, sondern auch in anderen fotoelektrischen Funktionsgeräten ein großes Anwendungspotenzial haben.

WS2-Filme auf Quarzsubstrat wurden durch Magnetronsputtern und anschließendes Nachglühen hergestellt. Ein WS2-Vorläuferfilm wurde zunächst durch Sputtern auf einem sauberen Quarzsubstrat abgeschieden, wobei eine gesinterte WS2-Scheibe als Target verwendet wurde. Anschließend wurde der Nachglühprozess durchgeführt, um die Kristallinität des WS2-Films zu verbessern. Abbildung 1a zeigt das schematische Diagramm des Glühprozesses. Der WS2-Vorläuferfilm auf Quarz wurde in einen Rohrreaktor geladen und Schwefelpulver wurde stromaufwärts in die Kammer gegeben. Schwefel wurde bei 200 °C verdampft und durch einen Argonstrom mitgeschleppt. Die Mitteltemperatur des Röhrenofens wurde auf 800 °C eingestellt und zwei Stunden lang gehalten. Anschließend erfolgte eine natürliche Abkühlung auf Raumtemperatur, um den Glühvorgang abzuschließen. Abbildung 1b zeigt die Fotografien von blankem Quarz, dem WS2-Vorläuferfilm und dem getemperten Film auf den für dieses Experiment verwendeten Quarzsubstraten und ihre relative Größe als 1-Dollar-Münze aus Hongkong mit 2,5 cm Durchmesser. Der graue gesputterte WS2-Vorläuferfilm zeigt nach dem Tempern eine charakteristische gelblich-grüne Farbe des mehrschichtigen WS2-Kristalls.

Vorbereitung und Übertragung des WS2-Films.

(a) Schematische Darstellung des Temperprozesses für WS2-Filme. (b) Ein Foto von Quarz und WS2 auf Quarz vor und nach dem Glühen. (c) Gemessene UV-Vis-Absorptions- und Transmissionsspektren der getemperten WS2-Filme. (d) Raman-Spektren von WS2-Filmen vor und nach dem Tempern. (e) Schema des Übertragungsprozesses des gewachsenen WS2-Films von Quarz auf SiO2/Si-Substrat. (f) Optisches Bild des übertragenen WS2-Films auf SiO2/Si-Substrat.

In Abb. 1c sind die optischen Absorptions- und Transmissionsspektren des getemperten WS2-Films dargestellt. Im Allgemeinen verfügt der WS2-Film über eine beträchtliche Photoabsorption, die den gesamten UV-Vis-Bereich von 200–900 nm abdeckt, was die sehr breite photoelektrische Reaktion des auf dem WS2-Film basierenden Photodetektors im ultravioletten bis sichtbaren Bereich demonstriert. Abbildung 1c zeichnet zwei charakteristische Absorptionspeaks bei 633 nm (1,96 eV) und 530 nm (2,34 eV) auf, die aus dem direkten Übergang vom Valenzband zum Leitungsband am K-Punkt der Brillouin-Zone entstehen, die als A- bzw. B-Übergänge bekannt sind . Die beiden Peaks entstanden aufgrund der Spin-Orbital-Aufspaltung des Valenzbandes. Darüber hinaus wird auch der charakteristische C-Peak mit der Mitte bei 455 nm (2,72 eV) beobachtet25,26. Es ist bekannt, dass die Bandlücke für das dickere WS216 kleiner wird und alle drei Peaks eine leichte Rotverschiebung im Vergleich zum berichteten ein- und zweischichtigen WS2 aufweisen, was auf die hier erhaltene Dicke von WS2 mit wenigen Schichten hinweist26.

Die Raman-Spektren der WS2-Filme vor und nach dem Tempern unter 488-nm-Anregung wurden erhalten und in Abb. 1d dargestellt. Die beiden charakteristischen Peaks, die dem E12g-Modus, der Schwingung von Wolfram- und Schwefelatomen in der Ebene, und dem A1g-Modus, den Schwingungen der Schwefelatome außerhalb der Ebene, entsprechen, werden in beiden Filmen beobachtet27. Die Raman-Peaks werden bei 352,3 und 417,4 cm-1 für getemperte WS2-Filme und bei 352,3 und 416,2 cm-1 für Vorläufer-WS2-Filme identifiziert, sehr nahe an dem berichteten Ergebnis von WS210 mit wenigen Schichten, dem Frequenzunterschied der beiden Raman-Peaks des Der getemperte WS2-Film ist 65,1 cm−1 groß, was darauf hindeutet, dass der Film aus einer WS2-Nanostruktur mit mehreren Schichten besteht. Die Spitzenintensität des getemperten WS2-Films ist im Vergleich zum vorgetemperten WS2-Film viel stärker, was zur Verbesserung der Kristallinität und damit zu einer verstärkten Gitterdynamik beiträgt. Ein weiteres einzigartiges Merkmal, das in den Raman-Spektren beobachtet wurde, ist, dass das Intensitätsverhältnis von A1g/E12g des WS2-Films nach dem Tempern von ~0,97 auf ~1,24 anstieg und sich der A1g-Peak des WS2-Films leicht zu einer höheren Frequenz verschob, während der E12g-Peak danach gleich blieb Glühen, was auf den A1g-Modus hinweist, der die Schwingungen der Schwefelatome außerhalb der Ebene darstellt, ist empfindlicher gegenüber dem Nachglühprozess geworden.

Abbildung 1e zeigt, dass das Wachstum der WS2-Filme auf dem Quarz zur Geräteherstellung auf andere Substrate wie SiO2/Si übertragen werden kann. Zuerst wurde PMMA auf die WS2/Quarz-Probe aufgeschleudert und anschließend in eine Kaliumhydroxidlösung (KOH) bei 80 °C getaucht. KOH kann das Quarzsubstrat ätzen und dann schwimmt der PMMA/WS2-Film auf der Lösungsoberfläche. Der schwimmende PMMA/WS2-Film wurde dann mehrere Male mit entionisiertem Wasser gewaschen, bevor er auf das neue SiO2/Si-Substrat übertragen und getrocknet wurde. Anschließend wurde das PMMA abschließend in Aceton gelöst. Das in Abb. 1f gezeigte optische Bild des übertragenen WS2-Films auf SiO2/Si zeigt, dass der WS2-Film nach der Übertragung flach und kontinuierlich gehalten wurde.

Zur Untersuchung der Kristallstruktur und der Zusammensetzung der WS2-Filme wurde eine Röntgenbeugungsmethode (XRD) durchgeführt. Es ist bekannt, dass jede einzelne Ebene von WS2 aus einer Dreischicht besteht, die aus einer Wolframschicht besteht, die zwischen zwei Schwefelschichten liegt, wie in Abb. 2a gezeigt, mit den Kristallebenen (002), (004) und (006) entlang der c Die Richtung wird darin ebenfalls dargestellt. Wie aus den in Abb. 2b gezeigten gemessenen XRD-Mustern hervorgeht, zeigt das XRD-Muster des Vorläufer-WS2-Films keine erkennbaren Beugungspeaks, was darauf hindeutet, dass er sich nahezu im amorphen Zustand befindet. Allerdings werden beim getemperten WS2-Film drei Beugungspeaks bei 14,31°, 29,02° und 43,74° beobachtet, die den (002), (004) bzw. (006)-Kristallebenen von hexagonalem WS2 entsprechen, was die Wellschicht bestätigt Stapeln entlang der c-Richtung.

Charakterisierung des WS2-Films.

(a) Dreidimensionales Atomstrukturdiagramm der Monoschicht WS2. (b) XRD-Profil von WS2-Filmen auf dem Quarz vor und nach dem Tempern. (c) Dreidimensionales AFM-Bild des getemperten WS2-Films. (d) Höhenprofil entlang der in (c) markierten Linie.

Abbildung 2c zeigt einen dreidimensionalen Rasterkraftmikroskop (AFM)-Oberflächentopographiescan des getemperten WS2-Films, der einen kleinen Rand des Films zeigt, hauptsächlich aufgrund des Clustereffekts am Rand während des Sputter- und Tempervorgangs9. Abbildung 2d zeigt das Schnitthöhenprofil des WS2-Films an der markierten Position in Abb. 2c und bestätigt die Dicke des getemperten WS2-Films bei etwa ~25,2 nm.

Abbildung 3a,b zeigt die TEM-Bilder von WS2 in verschiedenen Vergrößerungen und zeigt, dass der WS2-Film aus unzähligen WS2-Nanoblättern besteht, von denen die meisten horizontal und nur wenige vertikal gewachsen sind. Abbildung 3c ist das SAED-Muster der WS2-Nanoblätter. Die Beugungsringe von innen nach außen werden den Ebenen (002), (100), (006), (110) bzw. (200) zugeordnet, wie in der Abbildung markiert24 ,28. Abbildung 3d zeigt das HRTEM-Bild der vertikal gewachsenen WS2-Nanoblätter und zeigt den Zwischenschichtabstand von WS2 von 0,62 nm, identisch mit dem theoretischen Zwischenschichtabstand entlang der c-Achsenrichtung29. Abbildung 3e zeigt, dass das HRTEM-Bild des horizontal gewachsenen WS2 mit einem Abstand zwischen den Ebenen von 0,27 nm gut mit den (110)-Ebenen übereinstimmt, was auf eine Draufsicht durch die c-Achsenrichtung hindeutet30. Das in Abb. 3f gezeigte EDS-Spektrum der Probe bestätigt, dass die Elemente Wolfram (W) und Schwefel (S) in der vorbereiteten Probe enthalten sind, was auf das Vorhandensein von Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O) und Kupfer (Cu) zurückzuführen ist das kohlenstoffbeschichtete Kupfersubstrat für die TEM-Messung.

TEM-Bild und Analyse des WS2-Films.

(a,b) TEM-Bilder von übertragenem WS2 auf dem kohlenstoffbeschichteten Kupfernetz. (c) Das SAED-Muster des WS2. (d) HRTEM-Bild der vertikal gewachsenen WS2-Nanoblätter. (e) HRTEM-Bild der horizontal gewachsenen WS2-Nanoblätter. (f) EDS-Spektrum der Probe.

Abbildung 4a zeigt schematisch den hergestellten Fotodetektor basierend auf dem getemperten WS2-Film. Die Ti (5 nm)/Au (50 nm)-Elektroden wurden durch thermische Verdampfung auf dem WS2-Film abgeschieden. Eine Schattenmaske aus rostfreiem Stahl wurde verwendet, um diese Elektrodenpads im Abstand von 100 Mikrometern zu strukturieren, und die Ti/Au-Kontakte wurden mit einem CCD-Mikroskop erfasst und im Einschub von Abb. 4b dargestellt. Der Fotodetektor wurde an einer Chipträgerhalterung für elektrische Zwecke befestigt testen. Abbildung 4b zeigt die Strom-Spannungs-Kurve des getemperten WS2-Films, gemessen in Abwesenheit von Licht. Die Quasilinearität und Symmetrie für kleine Vorspannungen weist auf einen ohmschen Kontakt zwischen dem WS2-Kanal und den Ti/Au-Elektroden hin. Anschließend wurde der Widerstand bei Raumtemperatur gemäß der in Abb. 4b gezeigten IV-Kurve mit 4,2 kΩ berechnet und liegt damit unter den anderen in Tabelle 1 aufgeführten Werten, was auf eine hohe Qualität, Leitfähigkeit und Gleichmäßigkeit des so hergestellten WS2-Films schließen lässt.

Gerätestruktur und Fotoreaktion des Fotodetektors.

(a) Schematische Darstellung des Photodetektors bestehend aus einem WS2-Film und den Ti/Au-Kontakten auf Quarz und den Laserquellen, die senkrecht zum Film angebracht wurden. (b) Strom-Spannungs-Diagramm ohne Beleuchtung. Der Einschub zeigt das Mikroskopbild eines Paares der Ti/Au-Elektroden. (c) IV-Kurven des Geräts, erhalten unter verschiedenen Lichtintensitäten von 12,1 bis 395 μW/cm2 bei einer Wellenlänge von 365 nm. (d) Die entsprechenden Diagramme der Empfindlichkeit gegenüber der Spannung, die bei verschiedenen Lichtintensitäten erfasst wurden.

Um die photoelektrischen Reaktionseigenschaften des WS2-basierten Photodetektors weiter aufzuzeigen, wurde der von der Vorspannung abhängige Photostrom des Photodetektors bei 365 nm gemessen und in Abb. 4c dargestellt. Darin ist eine Reihe von IV-Kurven bei zunehmender Intensität des einfallenden Lichts (von 12,1 auf 395 μW) dargestellt /cm2), aus dem man den hochlinearen Photostrom des Geräts in Abhängigkeit von der Vorspannung erkennen kann, was auf den ohmschen Kontakt zwischen dem WS2-Kanal und den Ti/Au-Elektroden hinweist. Wie aus Abb. 4c, d ersichtlich, nehmen sowohl der Photostrom als auch die Empfindlichkeit mit der angelegten Spannung zu. Unter höherer Vorspannung können die fotogenerierten Elektron-Loch-Paare effektiver getrennt und eingefangen werden, wobei die Trägerdriftgeschwindigkeit zunimmt und sich dann die Trägerübertragungszeit Tt verringert (definiert als Tt = l2/μV, wobei l ist). die Kanallänge des Geräts, μ ist die Trägermobilität und V ist die Vorspannung)31, was letztendlich zu einem höheren Photostrom und einer höheren Empfindlichkeit führt.

Abbildung 5a zeigt, dass der Photostrom des Detektors bei verschiedenen angelegten Spannungen linear mit der Intensität des einfallenden Anregungslichts bei der Wellenlänge 365 nm ansteigt. Bei höherer Beleuchtungsintensität werden in WS2 mehr Elektrolochpaare erzeugt, wobei die Elektronen und Löcher durch das angelegte elektrische Feld in verschiedene Elektroden geleitet werden, was zu einem Anstieg des Kanalphotostroms führt. Wie in Abb. 5b gezeigt, verringerte sich jedoch die Empfindlichkeit des Fotodetektors mit zunehmender Lichtintensität. Dieses Phänomen sollte auf die Fallenzustände zurückgeführt werden, die Defekte und geladene Verunreinigungen innerhalb des WS2-Films und an der Grenzfläche zwischen Quarz und WS2 enthalten. Bei geringer Lichtintensität werden die fotogenerierten Elektronen größtenteils von den Fallenzuständen eingefangen und verringern so die Rekombination der Elektron-Loch-Paare. Bei hoher Beleuchtungsintensität wird aufgrund der begrenzten Anzahl der Fallenzustände ein relativ geringerer Anteil der fotogenerierten Elektronen eingefangen31. Daher war das Gerät bei geringerer Lichtintensität empfindlicher32.

Die Leistung des WS2-Films als Fotodetektor.

(a) Photostrom vs. Lichtintensität und (b) Diagramme der Empfindlichkeit gegenüber der Lichtintensität, aufgenommen bei verschiedenen Spannungen zwischen 1 und 5 V. (c) Photostrom und Empfindlichkeit als Funktionen der Lichtintensität bei einer Vorspannung von 5 V. Die Kurven werden nach dem Potenzgesetz Iph = APα angepasst. (d) Abhängigkeit von Empfindlichkeit und Photodetektivität von der Wellenlänge, erhalten bei einer Vorspannung von 5 V.

Um die quantitative Abhängigkeit des Photostroms von der Beleuchtungsintensität zu analysieren, ist in Abb. 5c der bei V = 5 V gemessene Photostrom als Funktion der Lichtintensität dargestellt. Die Abhängigkeit des Photostroms von der Lichtintensität kann durch ein einfaches Potenzgesetz angepasst werden: Iph = APα, wobei Iph der Photostrom, A eine Skalierungskonstante, P die Lichtleistung und α ein Exponent ist. Die Leistungsgleichung passt (gestrichelte Linien) an die experimentellen Daten (durchgezogene Quadrate) mit einem Exponenten (α = 0,79) zwischen 0,5 und 1, was darauf hinweist, dass die Sättigung auf eine Kinetik der photogenerierten Träger zurückzuführen ist, die beide Rekombinationszustände und umfasst Träger-Träger-Interaktionen. Die Empfindlichkeit (R) ist definiert als der Photostrom, der pro Leistungseinheit des einfallenden Lichts auf der effektiven Fläche erzeugt wird, und wurde aus den experimentellen Daten unter Verwendung der Formel R = Iph/P ermittelt. Eine quantitative Anpassung der Daten ergibt ein Potenzgesetzverhalten R = APα−1 mit dem Anpassungsparameter α = 0,79 (R∝P−0,21) (siehe Abb. 5c).

Die Photostromreaktionen des Geräts im sichtbaren Bereich werden ebenfalls gemessen, und Abb. 5d zeigt die berechnete Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Wellenlänge. Dabei zeigt sich, dass die Empfindlichkeit des WS2-Fotodetektors bei kürzeren Spektralwellenlängen zunimmt. Dies unterscheidet sich vom herkömmlichen Fotodetektor auf GaAs-Basis, dessen Empfindlichkeit in Bereichen mit reduzierter Wellenlänge abnimmt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich mehrere zehn A/W beträgt, viel höher als die zuvor nachgewiesenen Rekorde bei der Verwendung von Fotodetektoren auf der Basis von WS2-Filmen mit wenigen Schichten (2,0–92 μA/W)10, was die Leistungsfähigkeit von Fotodetektoren auf der Basis von WS2-Filmen impliziert zur Durchführung einer breitbandigen Photodetektion vom ultravioletten bis zum sichtbaren Bereich mit vielversprechender hoher Empfindlichkeit und seiner Eignung für die ultraempfindliche Ultraviolett-Photodetektion. Um die Empfindlichkeit der Erkennung eines schwachen optischen Signals zu bestimmen, wird außerdem die spezifische Detektivität (D*) gemessen und berechnet. Unter der Annahme, dass das Schrotrauschen des Dunkelstroms einen Hauptbeitrag zum Gesamtrauschen darstellt, kann D* in der Form D* = A1/2R/(2qIdark)1/2 ausgedrückt werden, wobei R die Empfindlichkeit und A die effektive ist Fläche des Detektors, q ist der Absolutwert der Elektronenladung und Idark ist der Dunkelstrom33. Der D* wird zu 1,22 × 1011 Jones bei einer Lumineszenzlichtintensität von 12,1 μW/cm2 bei 365 nm und einer Vorspannung von 5 V berechnet. Diese Ergebnisse sind besser oder vergleichbar mit den zuvor berichteten Fotodetektoren, die auf der Grundlage von hergestellt werden 2D-TMDs, wie in Tabelle 1 aufgeführt. Die in Abb. 5d dargestellte wellenlängenabhängige Empfindlichkeit und Detektivität des Geräts zeigt deutlich eine bessere Reaktionsfähigkeit und Detektionsfähigkeit in kürzeren Wellenlängenbereichen (Seite mit höherer Energie).

Zusammenfassend demonstrieren wir einen hochleistungsfähigen UV-Vis-Breitband-Fotodetektor auf der Basis eines großflächigen WS2-Films mit geringem Widerstand, der durch Magnetronsputtern und Nachglühen hergestellt wird. Die Empfindlichkeit und Detektivität des Fotodetektors können 53,3 A/W bzw. 1,22 × 1011 Jones erreichen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Magnetron-Sputtermethode eine einfache und skalierbare Methode zur Herstellung hochwertiger WS2-Filme für verschiedene Geräteanwendungen ist, darunter Fotodetektoren, Solarzellen, fotoelektrochemische Zellen, Fototransistorsensoren usw.

WS2-Filme auf Quarzsubstrat wurden durch Magnetronsputtern und anschließendes Nachglühen hergestellt. Der WS2-Vorläuferfilm wurde zunächst durch Sputtern auf einem sauberen Quarzsubstrat abgeschieden, wobei als Target gesinterte WS2-Scheiben (Φ2*0,125 Zoll) verwendet wurden, die von China New Metal Materials Technology Co, Ltd. gekauft wurden. Die Hochfrequenzleistung (RF), der Argongasdruck und die Quarzsubstrattemperatur wurden für den Herstellungsprozess auf 60 W, 50 Pa bzw. 200 °C eingestellt. Die Abscheidungsrate betrug etwa 5 nm/min, was nach einer Abscheidungszeit von 5 Minuten zu einem 25,2 nm dicken WS2-Film führte. Anschließend wurde der Nachglühprozess durchgeführt, um die Kristallinität des WS2-Films zu verbessern. Der WS2-Vorläuferfilm auf Quarz wurde in einen Rohrreaktor geladen und Schwefelpulver (99,5 % Reinheit) wurde stromaufwärts in die Kammer gegeben, wie in Abb. 1a gezeigt. Schwefel wurde bei 200 °C verdampft, geschleppt durch einen Argonstrom von 100 sccm. Die Mitteltemperatur des Rohrofens wurde auf 800 °C eingestellt und zwei Stunden lang stabil gehalten. Anschließend wurde sie auf natürliche Weise auf Raumtemperatur abgekühlt, um den Glühvorgang abzuschließen. Tatsächlich kann der Nachtemperprozess innerhalb der Sputterkammer durchgeführt werden, indem das Substrat während des Sputterprozesses direkt in einer H2S-Atmosphäre auf hohe Temperaturen erhitzt wird34. Die Ti/Au-Elektroden wurden durch thermische Verdampfung unter Verwendung einer Schattenmaske aus rostfreiem Stahl auf dem WS2-Film abgeschieden, um Kanäle (Breite/Länge = 2 mm/0,1 mm) für die elektrischen und fotoelektrischen Messungen zu bilden.

UV-Vis-Absorptions- und Transmissionsspektren wurden mit einem SHIMADZU UV-2550 UV-Vis-Spektrophotometer aufgezeichnet. Die Messungen der Raman-Spektren wurden auf einem HR-800-Raman-Spektrometer mit einem 488-nm-Argonionenlaser durchgeführt. Das Röntgenbeugungsmuster (XRD) wurde mit einem RigakuSmartLab-Röntgendiffraktometer aufgezeichnet. Die Oberflächenmorphologie und Höheninformationen der Proben wurden durch Rasterkraftmikroskopie (AFM, VeecoNanoskop V) ermittelt. Die Morphologie, Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung wurden mit einem Feldemissions-Transmissionselektronenmikroskop (FETEM, JEOL Modell JEM-2100F) untersucht, das mit ausgestattet war ein energiedispersives Spektrometer (EDS). Darüber hinaus wurden für die Messungen fünf Laserquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen (365 nm, 460 nm, 532 nm, 632 nm und 650 nm) verwendet, um die Photoreaktionsleistung des so vorbereiteten WS2-Film-basierten Photodetektors zu bewerten. Elektrische Messungen wurden an einem Halbleitercharakterisierungssystem (Keithley 2400-SCS) durchgeführt.

Zitierweise für diesen Artikel: Zeng, L. et al. Hochempfindlicher UV-Vis-Fotodetektor basierend auf einem übertragbaren WS2-Film, der durch Magnetron-Sputtern abgeschieden wird. Wissenschaft. Rep. 6, 20343; doi: 10.1038/srep20343 (2016).

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Diese Arbeit wird finanziell vom Research Grants Council of Hong Kong, China (Projektnummer: GRF 526511/PolyU B-Q26E) und der Hong Kong Polytechnic University (Projektnummer: 1-ZE14) unterstützt.

Zeng Longhui und Tao Lili haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.

Abteilung für Angewandte Physik, Hong Kong Polytechnic University, Hung Hom, Kowloon, Hongkong

Longhui Zeng, Lili Tao, Chunyin Tang, Bo Zhou, Hui Long, Yang Chai, Shu Ping Lau und Yuen Hong Tsang

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LHZ und LLT planten und führten die Experimente durch, sammelten und analysierten die Daten und verfassten die Arbeit. SPL und YHT betreuten das Projekt und konzipierten die Experimente, analysierten die Ergebnisse und verfassten die Arbeit. CYT, BZ, HL und CY halfen bei der Synthese der Materialien und sammelten die Daten. Alle Autoren haben die Ergebnisse diskutiert und das Manuskript gelesen.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Zeng, L., Tao, L., Tang, C. et al. Hochempfindlicher UV-Vis-Fotodetektor basierend auf einem übertragbaren WS2-Film, der durch Magnetron-Sputtern abgeschieden wird. Sci Rep 6, 20343 (2016). https://doi.org/10.1038/srep20343

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Eingegangen: 14. Oktober 2015

Angenommen: 30. Dezember 2015

Veröffentlicht: 29. Januar 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep20343

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