复旦丛春晓课题组AMT:大面积单层ReSe2的低温生长与近红外探测器阵列

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论文信息

研究背景

二维半导体材料因其原子级厚度和优异的电学、光学等性质在电子、光电子及柔性电子等领域具有极大的应用前景。其中铼基硫族化合物ReX₂（X=S/Se）因具有各向异性结构和层间解耦等特性表现出更加丰富的性质。二硒化铼（ReSe₂）不仅表现出过渡金属硫族化合物中少有的p型输运特性，更具有0.9-1.0 eV的窄带隙，赋予其优异的近红外探测能力。然而，化学气相沉积（CVD）作为制备大面积高质量ReX₂（X=S/Se）的主流方法，其前驱体的选择仍存在显著瓶颈：传统氧化铼（ReO₃）前驱体虽活性高但成本昂贵且高温易分解，生长可控性差；单质铼（Re）成本低，但因高熔点难以直接反应，生长效率低，尽管盐助剂（如NaCl、KI）可辅助反应，但现有工艺需500 ℃以上高温，与半导体后道制程（BEOL）（低于450 ℃）兼容性差，有研究表明利用Te-Re合金化可使Re的熔点降低实现460 ℃的材料生长，然而，Te与Re的比例需高达 9:1；NH4ReO4前驱体虽然熔点低，但生长的晶体质量较差。

文章概述

复旦大学丛春晓课题组采用BiOCl辅助的化学气相沉积法，成功实现了基于单质Re前驱体的大面积单层ReX₂（X=S/Se）的低温（400°C）生长制备，与半导体后道制程具有良好的兼容性，且基于所制备的大面积ReSe₂的4X4近红外探测器阵列展现出良好的室温红外成像能力。该研究采用氯氧化铋（BiOCl）和Re作为前驱体（比例1:15~1:40），Re首先与BiOCl发生反应，生成高挥发性的高价铼中间体再结合H2还原显著提升反应活性，从而显著降低反应所需温度。所获大面积单层ReX₂（X=S/Se）薄膜经拉曼光谱、XPS及AFM表征证实具有优异结晶度与均匀性。基于所制备的大面积ReSe₂构建的近红外探测器阵列具有良好的器件均一性，设计制备的4×4阵列展现出良好的室温红外成像能力。该工作发展了一种基于BiOCl辅助的大面积二维半导体材料ReX₂（X=S/Se）的经济、高效、低温（400°C）的CVD生长方法，突破了传统高温工艺限制，促进了柔性电子与集成光电子器件的应用和发展。

图文导读

图1. 生长示意图以及样品形貌。a. BiOCl辅助化学气相沉积工艺示意图。b. 所生长大面积单层ReSe₂的光学照片。c. 所生长大面积单层ReSe₂的显微镜照片。d. 单层ReSe₂的AFM形貌表征以及厚度示意。

图2. 生长机制探究。a. BiOCl辅助生长ReSe₂的机理示意图。b. H2流量变化控制下的成核情况对比。

图3. 薄膜光学表征a. ReSe2的拉曼测试结果。b-d. ReSe₂的XPS测试结果。

图4. 基于大面积ReSe2薄膜制备的器件阵列光电性能测试。a. ReSe₂光电探测器件阵列示意图。 b. 不同波长的光脉冲照射下器件的脉冲响应特性。 c. 不同波长下器件的光响应度特性。 d. 不同波长下器件的探测率。 e. 不同波长下器件的噪声等效功率。 f. 器件的光电响应时间。 g, h. 多个器件的光响应度特性。

图5. 基于大面积ReSe₂薄膜的近红外成像阵列。 a, b. 4×4近红外成像阵列示意图。 c, d, e. 近红外字母成像结果

结论

团队提出了一种低温低成本大面积生长二维半导体材料铼基硫族化合物ReX₂（X=S/Se）的化学气相沉积工艺，所制备的ReX₂（X=S/Se）薄膜经拉曼光谱、XPS及AFM表征，展现出高结晶质量与均匀性。基于所制备的ReSe₂构建的近红外光电探测器阵列表现出优异的器件均一性，4×4阵列的室温成像验证了其光电转换性能。该工作突破了传统高温生长工艺的局限性，为柔性电子器件与集成光电子器件的应用提供了可能。

期刊简介

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