表面等离激元增强单层二硫化钼光电性能研究

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二硫化钼(molybdenum disulphide,MoS2)的理化性质较为优越,通过调整其层数,可以获得1.31.8 eV的带隙宽度。利用单层MoS2薄膜作为场效应晶体管的沟道材料,可以获得较高的载流子迁移率和较大的开关比。此外,MoS2光电探测器由于超薄沟道中光生载流子的分离可诱导超高增益,通过调整MoS2的层数,在可见光波段可以实现对不同单色光的探测。然而,原子层厚的二维材料也存在光吸收效率较低的问题,单层MoS2在可见光区域内的吸收率不足8%,一定程度上限制着探测器的关键效率。而通过将表面等离激元集成至单层MoS2上,可以有效解决光吸收低的问题,使器件的关键效率的得到提升。对此,本文通过将Au@SiO2纳米颗粒旋涂至场效应晶体管的沟道中,探索了局域表面等离激元共振对单层MoS2光电流的增强效应。此外,本研究还通过将Au纳米颗粒与周期性的Au纳米圆盘阵列集成至单层MoS2场效应晶体管中,在背栅作用下探讨了等离激元对单层MoS2准粒子发光行为的影响,揭示了等离激元热电子对其发光行为的调控机理。本文通过微机械剥离法获得了单层MoS2薄膜,在此基础上完成了背栅单层MoS2场效应晶体管的构筑,并结合半自动探针台进行了电学性能测试。电学测试表明器件经Ar氛围下200℃退火2小时后,电极与单层MoS2之间形成了良好的欧姆接触,输出特性曲线呈线性变现且背栅电压可以对输出特性形成有效的调制。器件的转移特性曲线表明单层MoS2为典型的N型半导体。使用柠檬酸还原金盐(氯金酸)溶液法实现了Au@SiO2壳核纳米颗粒的制备,结合半自动探针台与激光器对单层MoS2的光电流进行了研究,并对比了旋涂Au@SiO2壳核纳米颗粒前后器件的光电流变化。实验结果表明,Au@SiO2壳核纳米颗粒的局域表面等离激元共振可以使器件的光电流得到显著增强;Au@SiO2壳核纳米颗粒的空间电场分布的模拟显示界面处存在明显的“Hot spot”效应。本研究有助于新型二维材料在光电传感领域的低成本开发与应用。在超低温区利用光致发光谱对单层MoS2的多体效应进行了研究。通过在沟道中分别负载Au纳米颗粒与周期性Au纳米圆盘阵列,获得了准粒子特征峰的蓝移,在此基础上,结合背栅电压的作用,获得了MoS2的准粒子与局域表面等离激元共振耦合时的束缚能动态调控。拟合时域有限差分计算,揭示了Au纳米圆盘阵列下的空间电磁场分布与光吸收增强效应,可推测耦合振动与热电子掺杂可协调作用于MoS2准粒子发光峰的蓝移,研究结果有助于表面等离激元磁共振与光量子器件的进一步发展。
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