中大新闻网讯（通讯员刘飞）由于具有优良光致发光特性、强自旋轨道耦合能（420 meV），高量子产额（~6%），大激子结合能（0.3 eV）和高载流子迁移率（1103 cm2V-1s-1）等优点，二硫化钨（Tungsten Disulfide，WS2）被认为是一种理想的可见光敏感材料。因为对于光电探测器件来讲，高光响应度意味着其光生载流子的寿命较长，而长的载流子寿命不可避免地会导致其具有较长的光响应时间，所以获取高光响应度和快速的响应时间一直是相互矛盾的难题。因此，设计一种新型的器件结构来使得WS2材料兼具高光响应度和快速响应时间性能对于推动其在可见光探测领域的发展就显得十分必要。
在本研究中，中山大学电子与信息工程学院刘飞教授和佘峻聪教授研究组基于单层二硫化钨微针尖，设计出一种新型的平面场发射型可见光探测器件。利用三维电磁仿真软件，通过优化针尖顶角，针尖阵列间距以及阴阳极距离等结构参数，单层WS2微针尖器件表现出优异的场发射特性及光响应特性。研究结果表明，单层WS2三针尖器件的最大场发射电流密度可达52 A cm−2 (@300 V µm−1)，在绿光辐照下三针尖器件的最大光响应度为6.8 × 105 A W−1，而对应的光响应时间为6.7 s。WS2平面场发射型可见光探测器件的性能要比光电导型、异质结型和F-P微腔等其他类型的光电探测器件有大幅提升，这表明其在高性能光电探测领域具有巨大的发展潜力。
图1： (a，b) 单层WS2微针尖平面场发射器件的AFM和SEM图；(c，d) 三针尖器件的AFM和SEM图。其中白色虚线给出了针尖位置，三个针尖的顶角均约为60°；(e，f) WS2单针尖或三针尖的拉曼光谱和荧光光谱
图2 ：(a) 不同顶角单层WS2场发射的电场分布模拟；(b) 二硫化钨尖端的场强与顶角之间的关系
图3： (a, d) 单层WS2单针尖或三针尖器件在不同辐照条件下的I-V曲线；(b、e) 单层WS2单针尖或三针尖器件在绿光照射下的光响应曲线；(c、f) 相应提取的上升和下降光响应曲线
该团队成功发展出单层二硫化钨微针尖的新型平面场发射型可见光探测器件的EBL制作工艺，并系统研究了其光敏特性。通过仿真计算，发现当二硫化钨微针尖的顶角为60°，针尖阵列之间的距离为3 µm，阴阳极间距为100 nm时，器件不仅拥有最佳的场发射特性，而且也具有优良的可见光响应特性。单层WS2三针尖器件的最大光响应度可达6.8 × 105 A W−1，与此同时器件也具有较快的光响应时间6.7 s，这要比单针尖器件的光响应度（1.8 × 103 A W-1，9.2 s）高两个数量级。该团队将二硫化钨针尖具有优良光响应特性的原因归咎于其原子级的尖锐边缘、较大的电导率以及高的外量子效率。这种平面场发射型光电探测器件结构很可能为解决可见光探测中高光响应度-快速响应时间这一相互矛盾的难题提供了一种新的实验路线。
该成果近期以“High-Performance Planar Field-Emission Photodetector of Monolayer Tungsten Disulfide with Microtips”为题在国际权威期刊Small上发表。中山大学电子与信息工程学院田颜博士为本文的第一作者，刘飞教授和佘峻聪教授为本文的共同通讯作者。中山大学电子与信息工程学院为第一作者单位。
