翟天佑: 液态合金辅助生长2D三元Ga2In4S9薄片及其高性能紫外光电检测

tianliangla

最近，2D三元材料由于化学计量比易于调控，其物理性质随之发生变化，引起了越来越多的关注。其中，三元Ga2In4S9是具有弱范德华相互作用的层状n型半导体材料，具有优越电子特性，即光敏性(约2.7 eV的宽带隙)以及随温度变化的光吸收边，有望用于紫外检测。作为一种双金属硫化物，三元Ga2In4S9与相应二元材料相比具有更加奇特的电子和光电性质。目前为止，研究人员仅报道了通过化学气相传输获得的厚度为几微米的块体Ga2In4S9的工作，然而块体结构阻碍了其在微纳电子和光电器件领域的实际应用。目前尚未见关于合成具有可控化学计量的2D三元Ga2In4S9薄片的报道，应归因于难以选择最佳的双金属前驱体。最近，具有可调金属元素的共晶镓熔体可用于制备原子级薄金属氧化物或硒化物，为生长上述三元半导体提供了有前景的方法。

近日，华中科技大学翟天佑教授等首次采用镓/铟液态合金作为前驱体，通过化学气相沉积合成只有几个原子层厚(最薄的样品约2.4 nm)的高质量2D三元Ga2In4S9薄片，并在Adv. Mater.上发表了题为“Liquid-Alloy-Assisted Growth of 2D Ternary Ga2In4S9 toward High-Performance UV Photodetection”的研究论文。作者对上述2D三元Ga2In4S9薄片的紫外光传感应用进行了系统性探索。Ga2In4S9薄片基光电探测器具有出色的紫外检测能力(Rλ= 111.9 A·W-1，外量子效率= 3.85×104 %，360 nm时探测率D* = 2.25×1011 Jones)，响应速度快(τring≈40 ms， τdecay≈50 ms)。此外，Ga2In4S9基光电晶体管在约0 V的临界背栅极偏压、360 nm时表现出约104 A·W-1的响应度。使用液态合金合成超薄2D Ga2In4S9纳米结构为设计新颖的2D光电子材料以实现最佳的器件性能提供了极大的可能性。

综上所述，作者通过液态合金辅助CVD技术获得了高结晶度超薄Ga2In4S9薄片。通过调节液态Ga/In合金和硫前驱体的加热温度可以调控形貌和厚度。三元2D Ga2In4S9优异的光电子行为主要归因于相对较长的载流子寿命以及薄片结晶度高所致的少数载流子扩散长度较长。在CVD过程中引入低熔点液态合金是超薄Ga2In4S9薄片可控生长的关键，对于其他新型2D材料的设计和生长具有重要意义。

文献链接：Liquid-Alloy-Assisted Growth of 2D Ternary Ga2In4S9 toward High-Performance UV Photodetection (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201806306)